Borik asit üretimindeki kolemanit-karbondioksit reaksiyonunda basınç etkisinin araştırılması
Investigation of pressure effect in colemanite-carbon dioxide reaction of boric acid production
Yazar: AYŞE BUDAK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MEHMET GÖNEN
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Borik asit, ülkemizde kolemanit minerali ile sülfürik asitin reaksiyonu sonucunda üretilen önemli bir bor kimyasalıdır. Geleneksel borik asit üretim prosesinde oluşan atıklar ve ürün içinde kalan safsızlıklar alternatif yöntemlerin araştırılmasını hızlandırmıştır. Bu çalışmada, karbondioksit kullanılarak kolemanit mineralinden borik asit ekstraksiyonu verimi üzerine CO2 basıncının etkisi ve diğer parametrelerin (reaksiyon sıcaklığı, reaksiyon süresi, tanecik boyutu, katı/sıvı oranı) etkileri araştırılmıştır.

İlk olarak, Balıkesir-Bigadiç Eti Maden İşletmeleri'nden temin edilen kolemanit minerali kırma, öğütme ve eleme işlemlerinden geçirilerek hammadde stokları hazırlanmıştır ve bu hammaddenin detaylı karakterizasyonu yapılmıştır. İkinci olarak, kolemanit mineralinden borik asit ekstraksiyonu testleri laboratuvar ölçeğinde gerçekleştirilmiştir. Kolemanit mineralinden borik asit ekstraksiyonu sulu ortamda karbondioksit kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Kolemanit-CO2 reaksiyonundan elde edilen tüm laboratuvar verilerini kullanarak kütle denkliği yapılmıştır. Son olarak, kolemanit mineralinden karbondioksit ile borik asit üretim prosesi, SuperPro Designer Programı (Sürüm 9.0) kullanılarak teknik ve ekonomik açıdan değerlendirilmiştir.

Bu çalışma neticesinde, su ortamında süperkritik şartlardaki CO2 ile kolemanit mineralinden borik asit ekstraksiyon verimi yaklaşık %98 bulunmuştur (60°C, 2 saat, +20-40 µm). Basınç dışındaki diğer parametreler (60°C, 180 dak., +106 µm) sabit tutularak basıncın etkisi araştırılmıştır. 88 atm CO2 basıncında borik asit ekstraksiyon verimi yaklaşık %95 iken, 11 atm CO2 basıncında borik asit ekstraksiyon verimi yaklaşık %87 bulunmuştur. Atmosferde küresel iklim değişikliğine sebep olan CO2 borik asit üretiminde hammadde olarak kullanılmıştır. Ayrıca, kalsiyum katyonları ile karbonat anyonları reaksiyona girerek kalsiti oluşturmuştur. Bu çalışmada, doğal ve öz kaynaklarımızdan borik asit üretiminde, CO2'nin hammadde olarak kullanılması ve küresel iklim değişikliğine pozitif etkisiyle de önem arz etmektedir.

Abstract:
Boric acid is an important boron chemical which is produced from the reaction of colemanite and sulfuric acid in Turkey. In this conventional process, the formation of wastes and the presence of impurities in the product have accelerated the research of alternative methods. In this study, the effect of CO2 pressure and other parameters (reaction temperature, reaction time, particle size and solid/liquid ratio) on boric acid extraction from colemanite mineral were investigated.

Firstly, colemanite mineral obtained from Eti Mine Inc. was subjected to grinding, milling and sieving operations and raw material stocks were prepared and characterized. Secondly, boric acid extraction tests were performed in laboratory scale. The boric acid extraction from colemanite mineral were carried out by using carbon dioxide in aqueous media. The mass balance was made for all of the experimental runs. Finally, the new boric acid production process was evaluated using SuperPro Designer Program (Version 9.0) in terms of technical and economical point of view.

At the end of this study, boric acid extraction efficieny from colemanite mineral by supercritical carbon dioxide in aqueous media was found as approximately 98% (60°C, 2 hours, +20-40 µm). By keeping the other parameters (60°C, 3 hours, +106 µm) constant, the effect of CO2 pressure was investigated. Boric acid extraction efficiency was determined as 95% and 87% at pressures of 88 atm and 11 atm, respectively. CO2 gas, which causes global climate change in the atmosphere, was used in boric acid production as a raw material. Calcium cations and carbonate anions reacted to form calcite during the reaction, thus CO2 was converted into the stable form. This result is also important as it utilizes CO2 as a raw material in the production of boric acid, from our natural, own resources and with positive effect to global climate change.