Adsorpsiyon Termodinamiği

Termodinamik bir fiziksel veya kimyasal dönüşüm sırasında sistemin iç enerji, entalpi, entropi ve serbest enerji değerlerini tayin eder ve bunların reaksiyon şartlarına bağlılığını inceler. Kimyasal reaksiyonlara eşlik eden termal olayların ve reaksiyona giren maddelerin termal özelliklerinin, özellikle entropi ve entalpinin incelenmesi reaksiyonların istemliliği hakkında genel bir kriter ortaya koymamıza ve denge hakkında bilgi edinmemize yardımcı olur. Bir maddenin yapısında depoladığı her türlü enerjinin toplamına “ısı kapsamı” ya da “entalpi” denir ve ΔH ile simgelenir. Fiziksel bir sistemdeki düzensizliğin ölçüsünü Entropi ifade eder. Bir diğer deyişle sistemde içe dönüştürülemeyen enerjinin miktarıdır ve ΔS ile simgelenir. Denge halinin ve istemliliğin derecesini ifade etmek için kullanılan en uygun termodinamik hal fonksiyonu serbest enerji olarak kabul edilir (Özli 2010; Mustafaoğlu, 2011).

Adsorpsiyon termodinamiği, adsorpsiyon davranışları üzerine fikir edinmek için çalışılmıştır. Gibbs serbest enerji değişimi (ΔG°), entalpi değişimi (ΔH°) ve entropi değişimi (ΔS°) gibi parametreler eşitlik 2.25 - 2.28’de termodinamik denklemlere göre hesaplanır. 1/T’e karşı lnKc grafiği çizilerek ΔH° ve ΔS° bulunur.

ΔG° = -RT lnKc (2.25)

∆Go = ∆Ho − T∆So (2.26)

Kc, adsorplanan adsorbat konsantrasyonunun, çözeltide kalan adsorbat konsantrasyonuna oranıdır. ΔG° eşitlik 2.25’den hesaplanırken, ΔH° ve ΔS° ln Kc’ye karşı 1/T grafiğinin doğru denklemi üzerinden hesaplanır. Bütün bu değerler hesaplanmış tablo ve grafiklerle gösterilmiştir.

lnKc = (ΔS° / R) - (ΔH° / R ) . 1/T (2.27)

Burada ΔG° (kJ/mol) aktivasyon serbest enerjisi, ΔH° (kJ/mol) aktivasyon entalpisi ve ΔS° (kJ/mol K) ise aktivasyon entropisidir.

Burada gaz sabiti R= (8,314 J / mol K), (T) Kelvin cinsinden sıcaklık değeri, (K) adsorpsiyon denge sabiti olarak tanımlanır. Kc değeri aşağıdaki formülle ifade edilebilir.

Kc = (C0-Ce) / Ce (2.29)

Burada C0 başlangıç konsantrasyonu, Ce ise adsorpsiyon neticesinde adsorplanmadan kalan konsantrasyonudur (Mustafaoğlu, 2011).

2.4. Bor Elementi ve Cevheri

Özder (2013)’e göre; bor, kelime kökeni olarak Arapça buraq/baurach ve Farsça'da burah kelimelerinden gelen bir elementtir. Borun saf elementi ilk kez 1808 yılında Fransız Kimyager J. L. Gaylussac ve Baron L. J. Thenard ile İngiliz kimyager H. Davy tarafından elde edilmiştir (Erdoğmuş, 2006).

Bor, periyodik tabloda B simgesi ile gösterilen, atom numarası 5, atom ağırlığı 10,81 olan metalle ametal arası yarı iletken özelliğe sahip bir elementtir (Suarez vd., 1985; Tanrıseven, 2013). Periyodik cetvelin 3A grubunun ilk ve en hafif üyesidir. Temel hal elektron konfigürasyonu 1s2

2s22p1,dir.

Bor elementi 8B, 10B, 11B, 12B, 13B izotoplarından oluşmaktadır. En kararlı izotopları 10

B ve 11B,dir. Bu izotopların tabiatta bulunma oranları sırasıyla % 19.1-20.3 ve % 79.7-80.9'dir. 10B izotopu, çok yüksek termal nötron tutma özelliği gösterir. Böylelikle nükleer malzemeler ve nükleer enerji santrallerinde kullanılabilmektedir. Türkiye'de 10

B izotop oranı yüksek bor cevher yatakları bulunmaktadır. Çeşitli metal veya ametal elementlerle yaptığı bileşiklerin gösterdiği farklı özellikler, bor bileşiklerinin birçok endüstride kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Bor, bileşiklerinde metal dışı bileşikler gibi davranır; ancak farklı olarak saf bor, karbon gibi elektrik iletkenidir. Kristalize bor, görünüm ve optik özellikleri açısından elmasa benzer ve neredeyse elmas kadar serttir (BOREN, 2014a).

Bor, biri amorf ve altısı kristalin polimorf olmak üzere, çeşitli allotropik formlarda bulunur. Alfa ve beta rombohedral formlar en çok çalışılmış olan kristalin polimorflarıdır. Alfa rombohedral strüktür 1200 0_{C'nin üzerinde bozulur ve 1500} 0

beta rombohedral form oluşur. Amorf form yaklaşık 1000 0_{C'nin üzerinde beta} rombohedrale dönüşür ve her türlü saf bor ergime noktasının üzerinde ısıtılıp tekrar kristalleştirildiğinde beta rombohedral forma dönüşür. Bor, yerkabuğunda yaygın olarak bulunan 51. elementtir. Bor tabiatta hiçbir zaman serbest halde bulunmaz. Doğada yaklaşık 230 çeşit bor minerali olduğu bilinmektedir. Yaygın olarak bulunan bor minerallerinden bir tanesi bir tür aluminoborosilikat minerali olan ve yapısında %10'a kadar bor içerebilen turmalin'dir. Ancak, sanayide alkali ve toprak alkali bor mineralleri olan tinkal (Na4B4O2. 10H2O), kernit (Na2B4O7. 4H2O), kolemanit (Ca2B6O11. 5H2O) ve üleksit (NaCaB5O9. 8H2O) kullanılmaktadır. Ticari maden yatakları sınırlı olup en çok Türkiye ve ABD'de bulunmaktadır. Bor elementinin kimyasal özellikleri morfolojisine ve tane büyüklüğüne bağlıdır. Mikron ebadındaki amorf bor kolaylıkla ve bazen şiddetli olarak reaksiyona girerken kristalin bor kolay reaksiyon vermez. Bor yüksek sıcaklıkta su ile reaksiyona girerek borik asit ve bazı diğer ürünleri oluşturur. Mineral asitleri ile reaksiyonu, konsantrasyona ve sıcaklığa bağlı olarak yavaş veya patlayıcı olabilir ve ana ürün olarak borik asit oluşur (BOREN, 2014a).

Bor, element olarak çok çeşitli bileşik yapma kapasitesine ve nötronları absorbe etme özelliğine sahip olup bu nedenle sanayinin vazgeçilmez hammaddelerinden bir tanesidir. Bor mineralleri, yapılarında farklı oranlarda bor oksit (B2O3) içeren doğal bileşiklerdir. Doğada yaklaşık 230’dan fazla bor minerali mevcut olup bunların ticari öneme sahip olan başlıcaları; tinkal, kolemanit, kernit, üleksit, pandermit, borasit, szaybelit ve hidroborasit’tir. Çizelge 2.10’da bu minerallerin kimyasal formulleri ve B2O3 içerikleri verilmektedir. Türkiye’de yaygın olarak bulunan bor mineralleri ise; sodyum bazlı tinkal, kalsiyum bazlı kolemanit ve sodyum+kalsiyum bazlı üleksit’dir. Bu mineraller, öncelikle fiziksel işleme tabi tutularak zenginleştirilir (konsantre bor), daha sonra rafine edilerek çeşitli bor kimyasallarına dönüştürülür. İfade kolaylığı açısından bu ürünlerin tamamı “Bor” olarak adlandırılmaktadır (ETİMADEN, 2012). Şekil 2.7.’de bor atomunun kabuk yapısı ve elementel borun görünümü ve borik asit (H3BO3) kristal yapısı yer almaktadır. Bor elementinin atomik yapı özellikleri Çizelge 2.3’de, kimyasal özellikleri ise Çizelge 2.4.’de yer almaktadır.

(a)

(b) (c)

Şekil 2.7. (a) Bor atomunun kabuk yapısı (Özder, 2013) , (b) Elementel borun görünümü (c) Borikasit (H3BO3) kristal yapısı (Özder, 2013)

Çizelge 2.3 Bor elementinin atomik yapı özellikleri (BOREN, 2014a)

Özellik Değer

Atomik Çapı 1.17 Å

Atomik Hacmi 4.6 cm3/mol

Kristal yapısı Rhombohedral

Elektron Konfigürasyonu 1s2 2s2p1

İyonik Çapı _{0.23 Å}

Elektron Sayısı (yüksüz) ₅

Nötron Sayısı ₆

Proton sayısı ₅

Çizelge 2.4 Bor elementinin kimyasal özellikleri (BOREN, 2014a)

Özellik Değer

Elektrokimyasal Eşdeğer 0.1344 g/amp-hr

Elektronegativite (Pauling) 2.04

Füzyon Isısı 50.2 kJ/mol

İyonizasyon potansiyeli

Birinci: 8.298 İkinci: 25.154 Üçüncü: 37.93

Valans elektron potansiyeli (-eV) 190

Çizelge 2.5 Bor elementinin fiziksel özellikleri (BOREN, 2014a)

Özellik Değer

Atomik Kütlesi 10.811

Kaynama Noktası 4275 K - 4002°C - 7236°F

Termal Genleşme Katsayısı 0.0000083 cm/cm/°C (0°C)

Kondüktivite Elektriksel: 1.0E -12 106/cm

Termal: 0.274 W/cmK

Yoğunluk: 2.34 g/cc @ 300K

Görünüş Sarı-Kahverengi ametal kristal

Elastik Modülü Bulk: 320/GPa

Atomizasyon Entalpisi 573.2 kJ/mole @ 25°C

Füzyon Entalpisi 22.18 kJ/mole

Buharlaşma Entalpisi 480 kJ/mole

Sertlik Mohs: 9.3

Vickers: 49000 MN m-2

Buharlaşma Isısı 489.7kJ/mol

Ergime Noktası 2573 K - 2300°C - 4172°F

Molar Hacmı 4.68 cm3/mole

Fiziksel Durumu (20°C & 1 atm): Katı

Spesifik Isısı 1.02 J/gK

Buhar Basıncı 0.348 Pa@2300°C

Bor ve türevleri uzun yıllardan beri kullanılmaktadır. Tarihçesine bakılınca, bor tuzlarının dört bin yıl önce ilk kez Tibet'te kullanıldığı, Babiller tarafından değerli eşyaların ergitilmesinde, Mısırlılarca mumyalamada, Eski Yunan ve Romalılarca da

zemine serpilerek arena temizliği için kullanıldığı saptanmıştır. 875 yılında ise, Araplar ilk kez bor tuzlarından ilaç yapmışlardır.

Modern bor endüstrisi, 13. yy'da Marco Polo tarafından Tibet'ten Avrupa'ya getirilmesiyle başlamıştır. 1771 yılında, İtalya'nın Tuscani bölgesindeki sıcak su kaynaklarında Sassolit bulunduğu anlaşılmıştır. 1830 yılında İtalya'da borik asit üretimi başlamıştır. Aynı zaman diliminde 1852'de Şili'de endüstriyel anlamda ilk boraks madenciliği başlamıştır. Daha sonra, Nevada, California, Caliko Moutain ve Kramer yöresindeki yatakların bulunarak işletilmeye alınmasıyla ABD dünya bor gereksinimini karşılayan birinci ülke haline gelmiştir. Yurdumuzda ise ilk işletmenin 1861 yılında çıkartılan Maadin Nizannamesi uyarınca 1865 yılında bir Fransız şirketine 20 senelik işletme imtiyazı verilmesiyle başladığı bilinmektedir (BOREN, 2014b). Dünya bor rezervlerine ait yüzde dağılım ve rezerv hakkında bilgi Çizelge 2.6’de verilmiştir.

Çizelge 2.6 Dünya bor rezervleri (ETİMADEN, 2012)

Ülkeler Toplam Rezerv

(1000 ton B2O3) Dağılım (%) Türkiye 935,800 72.5 ABD 80,000 6.2 Rusya 100,000 7.7 Çin 47,000 3.6 Arjantin 9,000 0.7 Bolivya 19,000 1.5 Şili 41,000 3.2 Peru 22,000 1.7 Kazakistan 15,000 1.2 Sırbistan 22,000 1.7 Toplam 1,290,800 100

Sonuç olarak, dünya toplam bor rezervi sıralamasında Türkiye yaklaşık %73’lük pay ile ilk sıradadır. Dünya toplam bor rezervi ve bugünkü tüketim değerleri dikkate alındığında, dünyada çok uzun yıllar bor cevheri sıkıntısı yaşanmayacağı görülmektedir. Dünya fiili bor üretimi 2012 yaklaşık 3,8 milyon ton (1,8 milyon ton B2O3) civarında gerçekleşmiştir. Fiili bor üretiminin B2O3 bazda bölgesel dağılımı; Avrupa (Türkiye) %42 pay ile birinci sırada yer alırken, bunu ABD %29, Güney Amerika %15 ve Asya %14 payla takip etmiştir .

Çizelge 2.7. Yıllara göre dünya bor ürünleri tüketimi (milyon ton) (ETİMADEN, 2013)

Dünya bor pazarında Eti Maden ve RT Borax talebin yaklaşık %72’sini karşılarken yıllar itibariyle pazara giren ve kapasitelerini artıran Rusya, Çin, Şili ve Arjantin gibi ülkeler de bor pazarından pay almaya başlamıştır. Öte yandan Eti Maden 2013 yılında da 2005 yılında yakaladığı dünya bor sektöründeki liderliğini korumuştur (ETİMADEN, 2013).