Borakstan tek aşamada sodyum bor hidrür üretimi ve proses parametrelerinin belirlenmesi
Direct sodium boron hydride producing from borax and determination of process parameters
Yazar: KADİR YILMAZ
Danışman: PROF. DR. MUZAFFER YAŞAR
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Sodyum bor hidrür (NaBH4), hidrojen enerji teknolojilerinde önemli bir rol oynamaktadır. Yüksek hidrojen içeriği ve nispeten düşük moleküler ağırlığı sayesinde, NaBH4, enerji yoğunluğu yüksek bir hidrojen taşıyıcısıdır. Bu nitelikler, sodyum bor hidrürü çevresel açıdan sürdürülebilir bir enerji seçeneği olan hidrojen enerjisi için potansiyel bir depolama ve taşıma aracı haline getirmektedir. Bunun yanında NaBH4, doğrudan borhidrürlü yakıt hücrelerinde (DBFC) enerji üretmek için kullanılan bir hidrojen kaynağıdır. DBFC'ler, yakıt hücrelerinin dönüşüm verimliliğini artırma yetenekleri nedeniyle önemlidir. Sodyum bor hidrürün DBFC'lerdeki kullanımı, enerji yoğunluğunu önemli ölçüde artırma ve enerji üretimindeki karbon ayak izini azaltma potansiyeline sahiptir. Bununla birlikte NaBH4'ün etkin ve ekonomik üretimi, bu bileşiğin geniş çaplı kullanımının önündeki en büyük engellerden biridir. Bu yüzden, susuz boraks (Na2B4O7) gibi alternatif bor kaynaklarından NaBH4 üretimine yönelik araştırmalar, hem bilimsel hem de endüstriyel açıdan büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmanın amacı, bu zorlukları aşmak ve NaBH4 üretimi için verimli ve sürdürülebilir bir yöntem geliştirmektir.
Tez çalışmaları kapsamında alternatif bir bor kaynağı olan susuz borakstan metalik sodyum kullanmadan sodyum bor hidrür üretimi üzerine çalışmalar yürütülmüştür. Bu kapsamda 400-550°C sıcaklık, 20-30 bar başlangıç hidrojen basıncı ve 4 saat süreyle denemeler yapılmıştır. NaBH4 miktarsal tayini, literatürde  de en sık kullanılan yöntem olan iyodometrik analiz yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen ürünler, FTIR ve XRD teknikleriyle karakterize edilmiştir. NaBH4 verimine etki eden sıcaklık, basınç, reaktan miktarı gibi parametrelerin etkisi incelenmiştir. Ayrıca bilimsel kaynaklarda yer alan çalışmalardan farklı olarak reaksiyon ortamına kalsiyum karbür ilavesinin dönüşüme olan etkisi çalışılmıştır. Bor kaynağı olarak boraks yerine sodyum metaboratın da kullanıldığı denemeler de gerçekleştirilmiştir.  Sıcaklık ve basınç arttıkça, NaBH4 veriminin de arttığı gözlemlenmiştir. Ortama Al ve NaOH fazlası eklemenin reaksiyon verimi üzerinde olumlu yönde katkı sağladığı tespit edilmiştir. En yüksek dönüşüm oranı %50,4 ile 550°C ve 20 bar başlangıç hidrojen basıncı çalışma koşullarında elde edilmiştir.

Abstract:
Sodium borohydride (NaBH4) plays a significant role in hydrogen energy technologies. Owing to its high hydrogen content and relatively low molecular weight, NaBH4 serves as a hydrogen carrier with a high energy density. These characteristics render NaBH4 a potential storage and transport medium for hydrogen energy, an environmentally sustainable energy option. Moreover, NaBH4 is utilized as a hydrogen source for direct borohydride fuel cells (DBFCs), which are noteworthy for their capability to enhance the conversion efficiency of fuel cells. The use of NaBH4 in DBFCs can significantly amplify energy density and reduce carbon footprint in energy production. However, one of the principal obstacles to the wide-scale application of this compound is the effective and economical production of NaBH4. Therefore, research into the production of NaBH4 from alternative boron sources like anhydrous borax (Na2B4O7) is of great significance, both scientifically and industrially. The aim of this study is to overcome these challenges and develop an efficient and sustainable method for the production of NaBH4.
Within the scope of thesis work, studies have been carried out on the production of sodium borohydride from anhydrous borax, an alternative boron source, without the use of metallic sodium. Within this context, experiments were conducted at temperatures of 400-550°C, initial hydrogen pressures of 20-30 bar, and for a duration of 4 hours. The quantitative analysis of NaBH4 was determined using the iodometric analysis method, which is the most commonly employed method in the literature. The obtained products have been characterized using FTIR and XRD techniques. The effects of parameters such as temperature, pressure, and reactant quantity, which impact NaBH4 yield, were examined. In contrast to studies documented in scientific literature, the effect of adding calcium carbide to the reaction medium on the conversion rate has been investigated. Experiments have also been conducted using sodium metaborate as an alternative to borax as a source of boron. The study revealed that an increase in temperature and pressure correspondingly led to an enhanced yield of NaBH4. The addition of excess Al and NaOH to the medium was found to positively influence the reaction yield. The highest conversion rate was achieved at 550°C with an initial hydrogen pressure of 20 bar, recording a rate of 50.4%.