Çeşitli magnezyum ve bor kaynaklarından farklı yöntemler ile yapay magnezyum borat üretimi ve üretim parametrelerinin incelenmesi

Abstract

Dünyadaki önemli bor yataklarının Türkiye, Rusya ve ABD'de olduğu bilinmektedir. Dünya toplam bor rezervi 1.2 milyar ton olup, bu rezervin %72.2'si Türkiye'de, %8.5'i Rusya'da ve %6.8'i ABD'de bulunmaktadır. Diğer bor minerallerine kıyasla daha az rafine olarak elde edilen magnezyum boratlar dünyada, Çin'in Kuzey Kore bitişik Liao-Dong yarımadasında yer altından madensel yöntemlerle veya deniz suyundan elde edilen çift tuzun dönüşümüyle elde edilmektedir. Magnezyum boratlar, magnezyum ve bor kaynağı olarak, diğer rafine boratlar veya metal boratların yerine sıkça kullanılmaktadırlar. Magnezyum boratların başlıca kullanım alanları, yüksek elastik katsayısı, paslanmaya karşı dirençleri ve yüksek ısı direnci sayesinde, seramik endüstrisi, deterjan bileşimleri, süper-iletken malzeme üretimleri, hidrokarbon katalizörleri, sürtünmeyi azaltıcı katkı ve yağları şeklindedir. Aynı zamanda yüksek bor içeriklerinden dolayı Nötron ve Gama radyasyonuna karşı malzeme üretimlerinde de kullanılabilmektedir. Bunun dışında magnezyum boratların spesifik kullanım alanları arasında, süper iletken magnezyum diborürün üretilmesi, metal yüzeyleri için yalıtkan kaplama bileşimleri, ısıya duyarlı renk veren mürekkep bileşimleri, boyalarda korozyonu önleyici katkı olarak, kontakt lens yıkama sularında ve alev geciktiriciler yer almaktadır. Magnezyum boratlar iki farklı yöntemde üretilebilmektedir. Bu yöntemler Hidrotermal sentez ve Katı-Hal sentezi olarak adlandırılmaktadırlar. Hidrotermal yöntemde sıvı bir ortamda magnezyum ve bor kaynaklarının ayrı ayrı çözümlendirilmesi ve sıcaklık etkisi ile reaksiyon oluşması prensibine dayanır. Bu yöntemde magnezyum borat hidratlar yani kristal sulu magnezyum boratlar elde edilebilir. Katı-Hal (Termal) yöntemi ise yüksek sıcaklık fırını yardımı ile hava ortamında bor ve magnezyum kaynağının reaksiyona sokulması prensibine dayanır. Çeşitli yöntemlerle sentezlenmiş veya doğal olarak elde edilmiş farklı kompozisyonlarda çok sayıda magnezyum borat bileşiği bulunmakta ve çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Ticari öneme sahip hidroborasit (CaMgB6O11.6H2O) ve szaybelyit (Mg2B2O5.H2O) gibi doğal magnezyum boratlar yanında, MgO.(B2O3).nH2O, MgO.3(B2O3).nH2O, 2MgO.(B2O3).nH2O ve 2MgO.(3B2O3).nH2O gibi çok çeşitli bileşikler halinde sentezlenebilen yapay magnezyum boratlar da bulunmaktadır. Deneysel çalışmalar sonunda, hidrotermal yöntem, manyetik karıştırma ile sentezlenen magnezyum borat bileşikleri sırası ile "01-076-540" XRD pdf kodlu Admontit [MgO(B2O3)3.7(H2O)], "01-070-1902" XRD pdf kodlu Mkalisterit [Mg2(B6O7(OH)6)2.9(H2O)] ve "01-073-0638" XRD pdf kodlu Magnezyum bor hidrat [MgB6O7(OH)6.3(H2O)] olarak bulunmuştur. Hidrotermal yöntem, ultrasonik karıştırma ile sentezlenen magnezyum borat bileşikleri de aynı XRD pdf kodlara sahip Admontit ve Mkalisterit olarak olarak ortaya çıkmıştır. Katı-hal yüksek sıcaklık fırını ile sentezlenen magnezyum borat bileşikleri çok daha fazladır. Bunlar "01-075-1807" kodlu Kotoit [Mg3(BO3)2], "01-056-0531" ve "01-073-2107" kodlu Suanittir [Mg2(B2O5)]. Diğer oluşan minerallerin hepsinin adı magnezyum borat olarak adlandırılmakla beraber, XRD pdf kodları ve kapalı formülleri farklıdır: "01-073-2232" kodlu [Mg2B2O5], "00-031-0787" kodlu [MgB4O7], "01-083-0625" kodlu [Mg2(B2O5)], "01-076-0666" kodlu [MgO(B2O3)2] ve "00-017-0927" kodlu [MgB4O7]. Katı-hal, mikrodalga sentez deneylerinde ise sentezlenen magnezyum borat minerali "01-076-0539" kodlu magnezyum borat hidrattır [MgO (B2O3)3.6(H2O)]. Elde edilen minerallerin FT-IR ve Raman spektrumları birbirlerine benzemekle beraber, magnezyum borat bileşiklerine ait karakteristik bantlar hem kızılötesinde hem de görünür bölgede elde edilmiştir. Bor oksit sonuçları literatür değerleri ile uygun çıkmıştır. SEM görüntüleri incelendiğinde nano boyutta minerallerin de elde edildiği görülmüştür. Hidrotermal, manyetik karıştırma metodu ile sentezlenen admontit mineralinin kinetik çalışması yapılmış, reaksiyonun iki basamaklı olarak dehidrasyona uğradığı bulunmuştur. Birinci ve ikinci basamaktaki aktivasyon enerjilerinin sırası ile 89 ile 107 kJ/mol arasında ve 130 ile 165 kJ/mol, olarak gerçekleştiği hesaplanmıştır. Nötron geçirgenlik deney sonuçlarında ise yapay olarak sentezlenen admontit mineralinin nötron geçirgenlik performansının, inderit ve kurnakovitten düşük ama yakın bir performans gösterdiği görülmektedir. Bor karbür ile kıyaslandığında ise bor karbürün üç katı kalınlığında neredeyse aynı performans gösterdiği belirlenmiştir.