Pirinç kabuğu külü ve Çamaltı Tuzlası atık tuz çözeltisi kullanılarak magnezyum silikat üretimi


Thesis Type: Postgraduate

Institution Of The Thesis: Istanbul Technical University, Fen Bilimleri Enstitüsü, Turkey

Approval Date: 2011

Thesis Language: Turkish

Student: ELİF ZEHRA ATUKEREN

Supervisor: Hale Gürbüz

Abstract:

Yapısında silikat bulunan hammaddeler, seramik endüstrisi başta olmak üzere, demir-çelik, kimya, elektrokimya, radyokimya, metalurji, inşaat ve elektronik endüstrileri gibi birçok endüstri alanında sıklıkla kullanılırlar. Endüstrinin farklı alanlarında giderek artan hammadde ihtiyacı, bazı silikatların doğal kaynaklarına ulaşmanın zorluğu ve bunların işlenmesi sırasında karşılaşılabilecek sorunlar nedeniyle, sentetik silikatların önemi de giderek artmaktadır.Sentetik silikatlar, doğal silikatlar gibi kristal veya amorf yapıda olabilirler. Çoğu zaman doğal olanlar ile benzer bir kimyasal bileşime sahiptirler. Fakat fiziksel özelliklerindeki farklılığın, kullanım alanlarının belirlenmesinde önemli payı vardır. Genel olarak, seçilen bir metal tuzu çözeltisi ile sodyum metasilikatın reaksiyonu sonucunda elde edilirler.Bu çalışmanın amacı; çeşitli alanlarda adsorban olarak kullanıldığı bilinen ve genel kimyasal yapısı mMgO.nSiO2.yH2O yapısına uygun olan bir magnezyum silikat bileşiğinin, silisyum kaynağı olarak pirinç kabuğu külü ve magnezyum kaynağı olarak tuzla atık çözeltisi kullanılarak sentezlenmesinin incelenmesidir. Pirinç üretiminin bir yan ürünü olan pirinç kabuğu külü, yüksek oranda silisyum dioksit içermektedir. Magnezyum kaynağı olarak seçilen tuzla atık çözeltisi ise deniz suyundan tuz (NaCl) üretiminden arta kalan çözelti olup, denize geri verilir. Bu çözelti önemli miktarda magnezyum tuzları (MgSO4 ve MgCl2) içermektedir. Böylelikle, magnezyum silikat üretiminde atık ürünlerin değerlendirilmesi ve dolayısıyla üretim maliyetinin düşürülmesi de başlıca hedefler arasındadır. Sentez, pirinç kabuğu külünden alkali ekstraksiyonla elde edilen sodyum silikat çözeltisi ile tuzla atık çözeltisinin sulu ortamdaki reaksiyonu ile gerçekleştirilmiştir. Reaktanların besleme hızları, reaksiyon karışımının seyrelme oranı (su içeriği) ve reaksiyon süresi, incelenen başlıca parametrelerdir. Diğer bir parametre ultrases etkisidir. Bu etki ile magnezyum silikatın tane boyutunda ve yüzey alanında olması beklenen değişiklikler ve bunlara bağlı olarak işlevsel özelliklerinde meydana gelmesi beklenen iyileşmeler dikkate alınarak, deneylerin çoğu ultrases uygulanarak gerçekleştirilmiştir.Elde edilen toz numunelerin XRD analizleri sonucunda, amorf yapıda oldukları belirlenmiştir. Numunelerin tane boyutu dağılımları, Mastersizer 2000 cihazı ile analiz edilmiştir. Spesifik yüzey alanları, azot adsorpsiyonu ile ölçülmüştür ve mikro-yapıları SEM görüntüleri alınarak incelenmiştir. Aynı analizler, bir magnezyum silikat bileşiği olan Magnesol isimli ticari numune için de yapıldıktan sonra, sonuçlar sentezlenen ürünlerinki ile karşılaştırılmıştır. Numunelerin kimyasal bileşimleri, yaş analiz yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Atık özellikli çözeltilerden kaynaklanan ve ürünün yapısında bulunan iyonların konsantrasyonu çok düşük miktarda olduğu için, bu iyonların analizi ICP ve UV-spektrofotometre kullanılarak yapılmıştır.Ultrases uygulanan sentezde; reaktan besleme hızı 4 ve 8 mL/dak, reaksiyon süresi 1 ve 2 saat ve reaksiyon karışımının seyrelme oranının toplam çözünmüş madde derişimi cinsinden değeri 88 g/L ve 70 g/L olmak üzere her parametre için iki değer seçilmiştir. Seçilen parametrenin her iki değeri için diğer iki parametre sabit tutularak, toplam 8 deney gerçekleştirilmiştir. Bu parametrelerin seçilen değer aralıklarında, magnezyum silikatın yapı ve bileşimini önemli ölçüde değiştirmediği görülmüştür. Kısa reaksiyon süresi, düşük seyreltme oranı ve hızlı reaktan beslemesi koşullarında yürütülen (8-1-100 notasyonlu) deneyde elde edilen ve diğerlerine göre belirgin farklılık gösteren katı faz hariç olmak üzere; elde edilen katı fazların MgO.(1,8 ? 0,1)SiO2.(1,5 ? 0,1)H2O yapısında olduğu belirlenmiştir. Ürün yapılarındaki benzerlik XRD analiz sonuçlarında da görülmektedir. Atık özellikli çözeltilerden kaynaklanan ve ürünün yapısında bulunan iyonların konsantrasyonu, Na:% 0,5 ? 0,1, K:% 0,4 ? 0,1, Ca:% 0,1 ? 0,05 olarak belirlenmiştir. Elde edilen katı ürünlerin tane boyutu analizleri sonucunda hesaplanan ortalama tane boyutu; reaksiyon süresi 1 saat olduğunda 48-80 ?m arasında, 2 saat olduğunda 11-20 ?m arasında değişmektedir. Ortalama tane boyutu ve tane boyutu dağılım aralığının, artan reaksiyon süresi ile birlikte küçüldüğü, SEM görüntülerinde de belirgin olarak farkedilmektedir. Kısa reaksiyon süresinde elde edilen numunelerde yaklaşık 1 ?m veya daha büyük tanelerin çok çeşitli boyutlarda topaklanmalar oluşturduğu görülmektedir. Tane boyutu analizine göre bu topaklanmalar 300-400 ?m seviyesine çıkabilmektedir. Uzun reaksiyon süresinde ise, SEM görüntülerinde topaklanmaların çok daha az ve tane boyutu dağılımının daha homojen olduğunu görmek mümkündür. Bu koşulda görülen topaklanmalar ise, en fazla 100-150 ?m seviyesindedir. Reaksiyon süresi dışındaki parametreler, tane boyutu dağılımı üzerinde önemli bir etki göstermemiştir.Reaktan besleme hızı, reaksiyon süresi ve reaksiyon karışımının seyrelme oranı sabit tutularak ultrases etkisinin incelendiği deneylerde; ultrases etkisi ürünün bileşimi üzerinde önemli bir değişime neden olmamıştır. Ultrases etkisinin ortalama tane boyutu ve tane boyutu dağılım aralığını küçültmesi beklenen bir etki olmasına rağmen, sonuçlar bunu destekleyememiştir. Bir deney grubunda, ultrases enerjisi uygulanmayan ürünün ortalama tane boyutu 26,87 ?m ve uygulanan ürününki 59,87 ?m' dir. Diğer deney grubunda ise ultrases uygulanmayan ürünün ortalama tane boyutu 64,95 ve diğerininki 48,05 ?m olarak hesaplanmıştır.Reaktan olarak atık özellikli çözeltiler ve saf reaktanlar kullanılarak aynı şartlarda iki deney gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerin sonunda, ürün bileşimlerinin benzer olduğu görülmüştür. Saf reaktanlar kullanıldığında, ürün yapısında başka bir iyon bulunmadığı ve atık özellikli çözeltiler kullanıldığında bu çözeltilerden gelen bir miktar iyonun ürün yapısına girdiği belirlenmiştir. Saf çözeltilerden elde edilen ürünün spesifik yüzey alanı 567 m2/g iken, diğer ürünün spesifik yüzey alanının 125 m2/g olması, atık özellikli çözeltilerden kaynaklanan iyonların yapıya girmesi ile açıklanmıştır. Atık özellikli çözeltilerden kaynaklanan iyonların konsantrasyonunun ihmal edilebilecek düzeyde olması ve iki ürünün bileşimlerinin benzer olması nedeniyle, magnezyum silikat üretiminde atık özellikli çözeltilerin kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.Yapılan bir deney tekrarı, seçilen koşullarda elde edilen ürün bileşiminin tekrarlanabilir olduğunu göstermiştir.Son olarak Magnesol isimli ticari bir magnezyum silikat örneğinin fizikokimyasal özellikleri ölçülmüştür. Örneğin tane boyutu dağılımı 0,45-148 ?m aralığında ve ortalama tane boyutu 46,15 ?m' dir. SEM görüntülerinde, bu çalışmada sentezlenen magnezyum silikatlara göre Magnesol' ün daha homojen bir tane boyutu dağılımı gösterdiği ve tanelerin daha düzgün bir yüzeye sahip olduğu görülmüştür. Magnesol' ün spesifik yüzey alanı 526 m2/g olup, saf maddelerle üretilen ürününkine yakındır (567 m2/g). Çalışmada sentezlenen magnezyum silikatların spesifik yüzey alanı genellikle 200-300 m2/g arasındadır. Sonuç olarak, Magnesol' ün ortalama tane boyutu ve yüzey yapısı sentezlenen örneklerinki ile genel olarak benzerlik göstermektedir. Bileşimlerindeki benzerliği de XRD analiz sonuçlarında görebilmek mümkündür.