TUZ (NaCl) BİLEŞİMİ VE ÜRETİM PROSESLERİ

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 <sup>o</sup>Be` 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 <sup>o</sup>Be` 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.

               

Sıcaklık (oC)

 

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.

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