Üleksit cevherinden trimetil borat üretim prosesinin geliştirlmesi
Developing trimethyl borate production process from ulexite ore
Yazar: MEHTAP ÖZEKMEKCİ
Danışman: PROF. DR. MEHMET ÇOPUR
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bor endüstriyel açıdan önemli bir elementtir ve dünyadaki en büyük bor rezervi B2O3 bazında Türkiye'de bulunmaktadır. Türkiye'deki en önemli bor cevherleri kolemanit, tinkal ve üleksittir. Kolemanit borik asit üretiminde, tinkal de boraks ve sodyum pentaborat gibi temel bor bileşiklerin üretiminde kullanılmaktadır. Üleksit herhangi bir üretimde kullanılmadan, belli tenördeki cevher ihraç edilmektedir. Endüstride çok sayıda kullanım alanı olan trimetil boratın bor madeni açısından zengin ülkemizde üretilmemekte ve halen yurt dışından ithal edilmektedir.
Trimetil borat bir ortoborat olup, metil borat olarak da adlandırılan B(OCH3)3 kimyasal yapılı bir bor esteridir. Trimetil borat çoğunlukla, önemli miktarda hidrojen depolama özelliği olan alkali metal bor hidrür bileşiklerinin üretiminde kullanılmaktadır. Aynı zamanda trimetil borat pamuklu dokuma sanayinde yanma geciktirici olarak, hidrolik sıvılarda yağlayıcı olarak, polimerik malzemelerde çapraz bağlayıcı olarak kullanılmaktadır.
Bu tez kapsamında üleksit mineralinin metanolle birlikte karbondioksitli ortamda trimetil borat üretmek için yeni proses geliştirilmiştir. Mineral asit yerine karbondioksit kullanılması proses açısından avantajlıdır. Bu çalışma sayesinde mineral karbonizasyon yöntemiyle karbondioksit kararlı bileşikler halinde tutulmuş ve trimetil borat üretimi gerçekleştirilmiştir. 
Bu amaçla yapılan çalışmada ilk olarak Bigadiç Eti maden işletmelerinden temin edilen saf üleksit ve kalsine üleksitin metanol ve CO2 ile birlikte çözdürme çalışması yapılmıştır. Çözdürme işleminde reaksiyon sıcaklığı, reaksiyon süresi, tanecik boyutu, katı sıvı oranı, reaksiyon basıncı ve kalsinasyon sıcaklığı parametre olarak seçilmiş ve optimum çalışma koşulları Taguchi metodu kullanılarak belirlenmiştir. Optimum çalışma koşullarında yapılan deneylerde üleksit ve kalsine üleksit için çözeltiye geçen B2O3 oranı sırasıyla %92,94 ve %94,72 olarak tespit edilmiştir.
Üleksit mineralinin metanollü ortamda CO2 ile çözünme kinetiği incelenmiştir. Deneysel veriler, grafiksel ve istatiksel metotlar kullanarak reaksiyon kinetiğinin Avrami model denklemine uygun olduğu belirlenmiştir. Aktivasyon enerjisi 21,47 kj/mol olarak bulunmuştur. 
Hem üleksit hem de kalsine üleksitin çözünmesinde optimum çalışma koşulları kullanılarak reaktörde deneyler gerçekleştirilmiş ve reaktörden alınan çözeltiler distilasyona tabi tutulmuştur. Bor/Metanol mol oranı, Propiyonik asit/Sodyum mol oranı, Bor/Kalsiyum sülfat oranı ve Bor/Kalsiyum Klorürün oranının  distilat verimine etkisi incelenmiştir. Propiyonik asit oranın artması ile hem çözünme verimi hemde trimetil borat verimi artmıştır. Propiyonik asit ve 40/200 katı/sıvı oranı  kullanılarak yapılan deneylerde trimetil borat verimi ve B2O3 çözünme değerleri sırasıyla %82,78 ve %97,80 olarak bulunmuştur. Ürün verimini artırmak için reaksiyon ortamından suyun uzaklaştırma işlemi yapılmıştır.  Kurutucu olarak CaCl2 ve CaSO4 kullanılmış olup, CaCl2 kullanıldığında distilasyon verimi %99,65 olarak bulunmuş ve üst üründe yaklaşık kütlece %74 trimetil borat içeren çözelti elde edilmiştir. 
Trimetil borat–metanol azeotropundan trimetil boratın saflaştırılmasında pervaporasyon yöntemi kullanılmıştır. Bu kısımda hem sentetik olarak hazırlanan trimetil borat-metanol azeotropu hem de distilasyonda elde edilen ve yaklaşık %74 trimetil borat içeren azeotrop kullanılmıştır. Bu kapsamda polivinil pirolidin (PVP), hidroksi etil selüloz (HEC) ve kitosan polimerleri kullanılarak hidrofilik pervaporasyon membranları hazırlanmıştır. Farklı oranlarda hazırlanan PVP-HEC ve PVP-Kitosan membranları kullanılarak trimetil borat-metanol azeotropu ayırma işlemi yapılmıştır. Hazırlanan karışım membranlarından 4 tane seçilerek çapraz bağlanmış ve çapraz bağlamanın ayırma performansına etkisi incelenmiştir. Hazırlanan membranların karakterizasyon testleri FTIR, XRD, SEM, TGA ve temas açısı kullanılarak yapılmıştır.  Pervaporasyon işleminde, PVP-HEC-2 membranı kullanıldığında %97,71, PVP-Kitosan-2 membranı kullanıldığında %95,81 saflıkta trimetil borat üretilmiştir.

Abstract:
Boron is an industrially important element and the largest boron reserve in the world is located in Turkey on the basis of B2O3. The most important boron ores in Turkey are colemanite, tincal and ulexite. Colemanite is used in the production of boric acid, and tincal is used in the production of basic boron compounds such as borax and sodium pentaborate. Certain grade of ulexite ore is exported without being utilized any production process. Trimethyl borate, which has many uses in the industry, is not produced in our country, which is rich in boron mines, and is still imported from abroad.
Trimethyl borate the chemical structure B(OCH3)3 is an orthoborate and is also called as methyl borate. TMB is mostly used in the production of alkali metal borohydride compounds which has significant hydrogen storage properties. Additionally, it is utilized as a fire retardant in the cotton weaving industry, as a lubricant in hydraulic fluids and as a crosslinker in polymeric materials. 
Within the scope of this thesis, a new alternative production process has been developed to produce trimethyl borate from ulexite together with methanol in CO2 medium. Using carbon dioxide is advantageous instead of mineral acid in terms of process. Thanks to this study, CO2 was kept as stable compounds by mineral carbonization method and TMB production was realized.
For this purpose, firstly, pure ulexite and calcined ulexite obtained from Bigadiç Eti Mine were dissolved with methanol and CO2. In the dissolution process, reaction temperature, reaction time, particle size, solid-liquid ratio, reaction pressure and calcination temperature were selected as parameters and optimum working conditions were determined by utilizing the Taguchi method. In the experiments carried out under optimum operating conditions, the dissolve ratio of B2O3 for ulexite and calcined ulexite were determined as 92.94% and 94.72%, respectively.
The dissolution kinetics of ulexite mineral with CO2 in methanol medium was  investigated. By using experimental data, graphical and statistical methods, it has been determined that the reaction kinetics was found to fit  Avrami model equation. The activation energy was found to be 21.47 kJ/mol.
Experiments were carried out reactor by utilizing optimum dissolution working conditions for both ulexite and calcined ulexite and the liquid solution taken from the reactor was distillated to form trimethyl borate azeotrope. The effects of boron/methanol molar ratio, propionic acid/sodium molar ratio, boron/calcium sulfate ratio and boron/calcium chloride ratio on distillate yield were investigated.  In distillation, different dosage of propionic acid was utilized in order to enhance both dissolution ratio and yield of trimethyl borate. In experiments using propionic acid and 40/200 solid liquid ratio, yield of TMB and dissolution rate of B2O3 were found to be 82,78% and 97,80% respectively. In order to increase product yield, water was removed from reaction medium. CaCl2 and CaSO4 were selected as the desiccant and when the CaCl2 was used, the yield of TMB was estimated at about %99,65 and approximately 74%wt of TMB was obtained.
The pervaporation method was used in the purification of trimethyl borate from trimethyl borate azeotrope. In this part, both the synthetically prepared trimethyl borate-methanol azeotrope and approximately containing 74%wt of TMB which was obtained in distillation were used. Hydrophilic pervaporation membranes were prepared by utilizing polyvinyl pyrrolidine (PVP), hydroxyethyl cellulose (HEC) and chitosan polymers. TMB-methanol azeotrope separation was performed by using PVP-HEC and PVP-Kitosan which was prepared at different blend ratios. Four of the prepared mixture membranes were selected and crosslinked in order to investigate the effect of crosslinking. All of the prepared membranes were characterized by utilizing FTIR, XRD, SEM, TGA and contact angle analysis.  In pervaporation process, trimethyl borate was obtained with a purity of %95.81 and 97.71 when PVP-Kitosan-2 and PVP HEC-2 membrane were used respectively.