TUZ
VE ÇEŞİTLİ SODYUM BİLEŞİKLERİ
Kimya endüstrilerinde
birçok sodyum tuzu yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bunların büyük bir
kısmı doğrudan veya dolaylı olarak adi tuz yani sodyum klorürden
üretilmektedir. Bu tuzların endüstrideki fonksiyonları daha çok anyonları
bakımından olmaktadır. Dolayısıyla, bu tuzlarda sodyum iyonuna aktif olan bir
anyonun taşıyıcısı olarak bakılabilir.
Bu bölümde, sodyum
klorür başta olmak üzere bazı sodyum bileşikleri endüstriyel anlamda incelenecektir.
Ancak sodyum bileşikleri bunlarla sınırlı değildir ve çeşitli özellikleri
bakımından endüstriyel kimyanın başka bölümlerini oluştururlar. Örneğin, alkali
endüstrileri, fosfat endüstrileri gibi. Bundan dolayı bazı önemli sodyum
bileşikleri diğer bölümlerde detaylı olarak ele alınacaktır.
2.2. SODYUM
KLORÜR VEYA ADİ TUZ
Adi tuz hem
insan ve hayvan besininin çok önemli bir unsuru hem de tüm sodyum ve klorlu
bileşiklerin ana ham maddesini oluşturmaktadır. Sodyum hidroksit, sodyum
sülfat, sodyum karbonat, klorür asidi, sodyum fosfatlar, sodyum klorat ve
sodyum klorit gibi birçok kimyasal bileşiğin temel başlangıç maddesidir. Pratik
olarak üretilen klorun hemen tamamı sodyum klorürden sağlanmaktadır.
Bunların
dışında bazı iyon değiştiricilerin rejenerasyonu ve organik kimyasal maddelerin
hazırlanmasında sodyum klorürün birçok uygulamaları söz konusudur. Ayrıca, insanların
günlük hayatında gıdaların hazırlanması ve korunmasında kullanılan çok önemli
bir maddedir.
2.2.1. Tuz
Üretim Yöntemleri
Sodyum klorür
üretiminde kullanılan yöntemler kaynaklarına bağlı olarak dört grupta
toplanabilir. Bunlar,
a. Kaya tuzu,
b. Deniz suyu,
c. Tuzlu göl
suları,
d. Yapay veya
doğal kuyu tuz çözeltileridir.
a) Kaya
Tuzu
Kaya tuzunun
çıkarılması kömür madenciliğine benzer yöntemler ile yapılır. Bunun için bir
ana kuyu ile tuz yatağına inilir. Buradan açılan galerilerden alınan tuz
parçaları yüzeye çıkarılır ve istenilen tane büyüklüğüne kadar kırıcılarda
kırılır. Bu ilk kaba kırma işleminden sonra içinde bulunan safsızlıklardan
temizlenir. Kaya tuzu içinde bulunan safsızlıkların en önemlisi kalsiyum sülfat
veya alçı taşı (CaSO4 2 H2O) olmaktadır. İlk temizleme
işleminden sonra kaya tuzu ikinci bir kırıcıdan geçirilerek satışa sunulur.
b) Deniz
Suyundan Tuz Üretimi
Deniz suyu
yaklaşık % 3,5 oranında sodyum klorür ihtiva etmektedir. Bu değer tuzun
doygunluk değerinden çok düşüktür. Bu nedenle, iklimin uygun olduğu bölgelerde
güneş enerjisi ile buharlaştırma (solar evaporasyon) yöntemi kullanılarak deniz
suyu geniş havuzlarda buharlaştırılarak tuzun kristalizasyonu sağlanır.
Buharlaştırmanın hızı havanın nemine, rüzgâr hızına ve absorblanan güneş
enerjisi miktarına bağlıdır. Deniz suyunun bileşimi bölgelere göre değişirse de
ihtiva ettiği tuzların % 99 dan fazlasını sekiz iyon oluşturmaktadır. Bunlar; %
54,8 klorür, % 30,4 sodyum, % 7,5 sülfat, % 3,7 magnezyum, % 1,2 kalsiyum, % 1,1
potasyum, % 0,3 karbonat ve % 0,2 bromürdür.
Birbirine
geçişler ile bağlı olan çok geniş yüzeyli havuzlara (tuzla) alınan deniz suyu
güneş ve rüzgârın etkisiyle buharlaştırılarak tuzun çökeceği derişikliğe kadar
getirilir. Suyun arka arkaya girdiği ve buharlaştığı çeşitli havuzlarda çöken
tuz ortamın Baume` dercesine, yani çözeltinin yoğunluğuna bağlı olarak değişik
saflıkta olmaktadır. Örneğin, 25-27 oBe` arasında çöken tuz % 98 lik
en temiz üründür. Bundan sonra 27-29 oBe` arasında çöken tuz ise %
92-95 lik olup, en fazla miktarda çöken kısımdır. Daha sonra tuzlama işlerinde
kullanılacak olan kaba bir ürün elde edilir. Bu tür tuzlalarda deniz suyundan
tuz üretimi aşamalarını şu şekilde özetlemek mümkündür.
·
Deniz suyunun ön buharlaştırma havuzlarına
alınması
·
Bu havuzlarda Fe2O3, CaCO3
ve CaSO4 bileşiklerinin çökeltilmesi amacıyla ön buharlaştırma
işleminin yapılması
·
Sodyum klorür doygunluk sınırına gelen
çözeltinin üretim havuzlarına alınarak derişiklendirilmesi ve tuzun
kristalizasyonunun sağlanması
·
Na2SO4 ve MgSO4
çökelmesi başlamadan çözeltinin üretim havuzlarından uzaklaştırılması
·
Üretim havuzlarında biriken tuzun sezon sonunda
toplanması
Problem (2-1): Bir tuz çözeltisi 500 kg
gelmektedir. Bu çözeltinin % 40 ının buharlaştırılması sonunda elde edilen
çözelti % 20 lik olduğuna göre, ilk çözeltideki suyun % kaçı
buharlaştırılmıştır?
Çözüm :
Temel, 500 kg çözelti
Buharlaştırılan
su miktarı
|
: (40/100) 500
|
= 200 kg
|
Geriye
kalan çözelti
|
: 500 - 200
|
= 300 kg
|
a) Kaya
Tuzu
Kaya tuzunun
çıkarılması kömür madenciliğine benzer yöntemler ile yapılır. Bunun için bir
ana kuyu ile tuz yatağına inilir. Buradan açılan galerilerden alınan tuz
parçaları yüzeye çıkarılır ve istenilen tane büyüklüğüne kadar kırıcılarda
kırılır. Bu ilk kaba kırma işleminden sonra içinde bulunan safsızlıklardan
temizlenir. Kaya tuzu içinde bulunan safsızlıkların en önemlisi kalsiyum sülfat
veya alçı taşı (CaSO4 2 H2O) olmaktadır. İlk temizleme
işleminden sonra kaya tuzu ikinci bir kırıcıdan geçirilerek satışa sunulur.
b) Deniz
Suyundan Tuz Üretimi
Deniz suyu
yaklaşık % 3,5 oranında sodyum klorür ihtiva etmektedir. Bu değer tuzun
doygunluk değerinden çok düşüktür. Bu nedenle, iklimin uygun olduğu bölgelerde
güneş enerjisi ile buharlaştırma (solar evaporasyon) yöntemi kullanılarak deniz
suyu geniş havuzlarda buharlaştırılarak tuzun kristalizasyonu sağlanır.
Buharlaştırmanın hızı havanın nemine, rüzgâr hızına ve absorblanan güneş
enerjisi miktarına bağlıdır. Deniz suyunun bileşimi bölgelere göre değişirse de
ihtiva ettiği tuzların % 99 dan fazlasını sekiz iyon oluşturmaktadır. Bunlar; %
54,8 klorür, % 30,4 sodyum, % 7,5 sülfat, % 3,7 magnezyum, % 1,2 kalsiyum, % 1,1
potasyum, % 0,3 karbonat ve % 0,2 bromürdür.
Birbirine
geçişler ile bağlı olan çok geniş yüzeyli havuzlara (tuzla) alınan deniz suyu
güneş ve rüzgârın etkisiyle buharlaştırılarak tuzun çökeceği derişikliğe kadar
getirilir. Suyun arka arkaya girdiği ve buharlaştığı çeşitli havuzlarda çöken
tuz ortamın Baume` dercesine, yani çözeltinin yoğunluğuna bağlı olarak değişik
saflıkta olmaktadır. Örneğin, 25-27 oBe` arasında çöken tuz % 98 lik
en temiz üründür. Bundan sonra 27-29 oBe` arasında çöken tuz ise %
92-95 lik olup, en fazla miktarda çöken kısımdır. Daha sonra tuzlama işlerinde
kullanılacak olan kaba bir ürün elde edilir. Bu tür tuzlalarda deniz suyundan
tuz üretimi aşamalarını şu şekilde özetlemek mümkündür.
·
Deniz suyunun ön buharlaştırma havuzlarına
alınması
·
Bu havuzlarda Fe2O3, CaCO3
ve CaSO4 bileşiklerinin çökeltilmesi amacıyla ön buharlaştırma
işleminin yapılması
·
Sodyum klorür doygunluk sınırına gelen
çözeltinin üretim havuzlarına alınarak derişiklendirilmesi ve tuzun
kristalizasyonunun sağlanması
·
Na2SO4 ve MgSO4
çökelmesi başlamadan çözeltinin üretim havuzlarından uzaklaştırılması
·
Üretim havuzlarında biriken tuzun sezon sonunda
toplanması
Problem (2-1): Bir tuz çözeltisi 500 kg
gelmektedir. Bu çözeltinin % 40 ının buharlaştırılması sonunda elde edilen
çözelti % 20 lik olduğuna göre, ilk çözeltideki suyun % kaçı
buharlaştırılmıştır?
Çözüm :
Temel, 500 kg çözelti
Buharlaştırılan
su miktarı
|
: (40/100) 500
|
= 200 kg
|
Geriye
kalan çözelti
|
: 500 - 200
|
= 300 kg
|
Çözeltideki
tu miktarı
|
: (20/100) 300
|
= 60 kg
|
İlk
çözeltideki su miktarı
|
: 500 - 60
|
= 440 kg
|
Buharlaşan
su yüzdesi
|
: (200/440) 100
|
= % 45,45
|
c) Tuzlu
Göl Suları
Tuzlu
göllerden tuz üretiminde de gene güneş enerjisinden yararlanılarak, deniz
suyunda olduğu gibi tuzlalarda üretim yapılmaktadır. Ancak tuz oranı yüksek
olan göllerde modern tuzlaların yanı sıra yaz aylarında meydana gelen hızlı
buharlaşma sonunda gölün seviyesi düşmekte ve doğal olarak kenarlarda tuz
kristalizasyonu olmaktadır. Gerek tuzlalarda üretilen tuz gerekse doğal olarak
biriken tuz depolanarak rafine edilmektedir.
d) Yapay
veya Doğal Kuyu Çözeltileri
Kaya tuzu
yatağına bir sondaj işlemiyle kuyu açılır ve tuzlu kısma su pompalanır. Elde
edilen doymuş çözelti yukarıya çıkarılır ve daha sonra saflaştırma işlemleri
uygulanır. Kuyuların hazırlanmasında, tuz yatağına bir seri kuyu açılır ve su
bir kuyu içinden gönderilir. Birbirine yakın olan iki kuyu arasındaki tuzu
çözen su doygun çözelti halinde birincisine bağlı kuyulardan dışarı alınır. Bu
şekilde çalışma verimliliği artırmaktadır. Aslında, derin olmayan kuyulara suyu
bir borudan pompalayıp tuzlu çözeltinin diğer borudan çıkarıldığı yöntem
yıllardır kullanılmaktadır.
Problem
(2-2): % 10 sodyum klorür ihtiva eden bir çözelti bulunmaktadır. Bu tuz
çözeltisi % 16 lık oluncaya kadar buharlaştırılmaktadır.
a) Buharlaşan su çözeltinin % kaçına karşılık
gelmektedir?
b) 100 kg çözeltiden
buharlaştırma sonunda kalan derişik çözeltiye 7,5 kg katı NaCl
eklenirse yeni çözelti % kaçlık olur?
Çözüm : Temel, 100kg orijinal çözelti
a)
Çözeltideki tuz miktarı
|
:
|
= 10 kg
|
Buharlaşan su
miktarı
|
:
|
= X kg
|
Derişik çözelti
miktarı
|
:
|
= (100-X) kg
|
Tuz balansı
|
: (16/100) (100 - X) = 10
|
|
Buharlaşan su
miktarı (X)
|
:
|
= 37,5 kg
|
Yüzde ağırlık
azalması
|
:
|
= % 37,5
|
b)
Yeni çözeltideki tuz miktarı
|
: 10 + 7,5
|
= 17,5 kg
|
Yeni çözelti miktarı
|
: 100 - 37,5 + 7,5
|
= 70 kg
|
Tuz yüzdesi
|
: (17,5/70) 100
|
= % 25
|
. Tuzun Rafinasyonu
Tuz
çözeltilerinin kristallendirilmesindeki güçlük, tuzun çözünürlüğünün sıcaklıkla
pek fazla değişmemesinden kaynaklanmaktadır. Doygun çözeltideki sodyum klorür
miktarının sıcaklığa bağlı olarak değişimi Şekil-2.1 de verilmiştir. Bundan
dolayı, derişik sodyum klorür çözeltilerinin yalnızca soğutulması ile
kristallenme sağlanamaz. Sıcak çözeltinin buharlaştırılması sonucu çözücü azalmasından
dolayı tuz çökerek ayrılabilir. Dolayısıyla kristellendirme ancak bir
buharlaştırma işlemi ile geçekleştirilir.
|
Şekil-2.1 Sodyum klorürün çözünürlüğü
Rafine tuz
elde etmek için hazırlanan doygun tuz çözeltileri, doğrudan evaporatörlere
gönderilebilirse de, doğal tuz çözeltileri veya yeraltı madenciliği ile
kuyulardan elde edilen doygun tuz çözeltilerine buharlaştırma işlemi
uygulanmadan önce içindeki safsızlıklardan temizlemek için bir ön temizleme işlemi
uygulanmalıdır. Tuzlu sularda bulunan safsızlıklar ya tuz yataklarının oluşumu
sırasında tuzla birlikte kristallenen CaSO4, CaCO3 ve Fe2O3
bileşikleri, ya tuz kristalleri arasında kalan MgCl2, MgSO4
vs. gibi kolayca çözünen bileşikler ya da kükürtlü bileşiklerden kaynaklanan ve
tuzlu suda çözünmüş olarak bulunan H2S gazıdır.
Belirtilen
safsızlıklar analitik yöntemler ile ortamdan uzaklaştırıldıktan sonra tuzlu
sulara uygulanan buharlaştırma işlemlerini iki grupta toplamak mümkündür.
Bunlardan ilki, tuzlu suların direkt veya indirekt ısıtılan tavalarda
buharlaştırılması işlemidir. Bunun çok çeşitli uygulamaları bulunmaktadır.
İkinci yöntem
ise, vakum evaporatörlerinde buharlaştırma işlemidir. Çalışma prensibi aynı
olmasına rağmen, teknik donanımları birbirinden farklı olan birçok evaporatör
tipleri geliştirilmiş ve endüstride uygulanmaktadır. Şekil-2.2 de bir vakum
buharlaştırma sistemi gösterilmiştir. Bu vakumlu buharlaştırıcının asıl kısmı
tuzlu çözeltinin vakumda buharlaştırılmasıyla derişiklendirildiği borulu bir
kazandır. Ayrılan tuz kristalleri A kısmında toplanır ve zaman zaman R anahtarı
yardımıyla B kısmına aktarılır. Burada tuzlu su ile yıkanan tuz kristalleri B
kısmında vakumun kaldırılmasıyla dışarı alınır. Tabanda biriken tuzlu çözelti (salamura)
tekrar buharlaştırma kazanına devrettirilir.
Kesikli
sistemle çalışan bir indirekt ısıtmalı açık tavada % 15 NaCl içeren çözeltiden
60 ton işlenmektedir. Bu sırada çözeltideki suyun % 90 nı buharlaştırılıp,
çöken tuz kristalleri 90 oC de ayrılmaktadır. İşlem sonunda elde
edilen NaCl miktarını hesaplayınız. Bu sıcaklıkta tuzun çözünürlüğü
27,8 g /100 g çözelti olarak verilmiştir.
27,8 g /100 g çözelti olarak verilmiştir.
Çözüm : Temel,
60 000 kg çözelti
Çözeltideki
tuz miktarı
|
: (15/100)
60000
|
= 9000 kg
|
Çözeltideki
su miktarı
|
: (85/100)
60000
|
= 51000 kg
|
Buharlaşan
su miktarı
|
: (90/100)
51000
|
= 45900 kg
|
Kalan
su miktarı
|
: 51000 -
45900
|
= 5100 kg
|
Buharlaştırma
işlemi sonunda ayrılan NaCl miktarı X kg olsun. Bu durumda 90 oC de
verilen çözünürlük değeri göz önüne alınarak şu eşitlik yazılabilir.
TUZ/ÇÖZELTİ= 27,8/100=9000-X/60000-45900-X= 9000-X/14100-X
391980 – 27,8 X = 900000 – 100 X
X = 7036,3 kg