SODYUM BOR HİDRÜR ÜRETİMİ VE KULLANIM ALANLARI

Sanayileşme ve bireylerin daha iyi koşullarda yasama istekleri günümüzde enerji tüketimini önemli ölçüde artırmıstır. Bununla birlikte, ilk petrol krizinden beri dünyada enerji perspektifi değişmiş ve birincil enerji kaynaklarının çeşitlendirilerek petrole bağımlılığın azaltılması hedeflenmiştir.

Bu kapsamda, hidrojenin elektrokimyasal olarak elektrik enerjisine dönüştürüldüğü yakıt pilleri geleceğin enerji üretim kaynakları arasında önemli bir yer tutmaktadır. Ancak; yakıt pillerinde kullanılan hidrojenin depolanması ciddi bir problem oluşturmaktadır. Bu noktada, bor minerallerinden üretilen sodyum borhidrür, önemli hidrojen depolama ve hatta hidrojen üretim ajanlarından birisi olarak bilinmektedir.

Sodyum bor hidrür’ün sulu alkali çözeltileri katalitik olarak depolamış olduğu hidrojeni verir.

Sodyum borhidrür ağırlıkça % 20 hidrojen depolayabilir, yanıcı/patlayıcı değildir, hidrojen verme reaksiyonu kolaylıkla kontrol edilebilir, açığa çıkan hidrojenin yarısı hidrürden, diğer yarısı ise sudan gelmektedir, katalizör ve sodyum meta borat tekrar kullanılabilir.

Sodyum borhidrür çözeltisinden katalitik olarak elde edilen hidrojen gazı yakılarak, geri dönüşsüz pil olarak ya da yakıt pilinde kullanılarak enerjiye dönüştürülebilir.

Türkiye, ~%72 payla dünyadaki en zengin ve kaliteli bor rezervlerine sahip ülkedir.

Bu nedenle yakıt pili teknolojisinde sodyum bor hidrürün kullanımı ülkemiz için ayrıca stratejik bir önem taşımaktadır.

Bu kapsamda, TÜBTAK Marmara Araştırma Merkezi (TÜBTAK MAM) ile Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü (BOREN) arasında “Sodyum Borhidrür Sentezi ve Üretimi” ve “Doğrudan Sodyum Bor hidrürlü Yakıt Pili Üretimi ve Entegrasyonu” konulu proje çalışmaları 21 Aralık 2004 tarihinde imzalanan sözleşme ile başlatılmıştır.

“Sodyum Borhidrür Üretimi ve Sentezi” projesinin amacı sodyum bor hidrürün sentezlenmesi ve bu sentez yöntemi kullanılarak üretim teknolojisi ve bilgisinin geliştirilmesidir.

1. HİDROJEN DEPOLAMA VE SODYUM BORHİDRÜR

Hidrojen, tüm dünyada son yıllarda alternatif enerji kaynağı olarak öne çıkmakta ve

Hidrojen Üretimi Hidrojen Depolama ve Tasıma Yakıt Pili Geliştirilmesi Kullanılacağı Sisteme Entegrasyonu konularındaki çalımsalar yoğun olarak

sürdürülmektedir. Bu alanlardaki çalışmalarda sodyum borhidrürün hidrojen verme ve tasıma özelliğinden dolayı ön plana çıktığı ve giderek öneminin arttığı görülmektedir.

Sodyum bor hidrür’ün alkali çözeltileri katalitik olarak,

NaBH4 + 2H2O katalizör 4H2O + NaBO2

bağıntısı uyarınca hidrojen verir. Bu özellik yeni ve temiz enerji politikalarıyla birlikte değerlendirilebilirse bor için çok yaygın ve kalıcı bir tüketim alanı yaratılabilecektir.

Sodyum borhidrürün diğer hidrojen tasıma ortamlarına göre avantajları:

Ağırlıkça % 20 hidrojen depolayabilir,

Yanıcı/patlayıcı değildir, Reaksiyon kolayca

kontrol edilebilir, Hidrojenin yarısı

hidrürden, diğer yarısı ise sudan gelmektedir,

Katalizör ve sodyum meta borat tekrar kullanılabilir.

Sodyum borhidrür çözeltisinden katalitik olarak elde edilen hidrojen gazı,

yakılarak, geri dönüşsüz pil

olarak, yakıt pilinde

kullanılarakenerjiye dönüştürülebilir.

Türkiye’nin, sahip olduğu bor cevherleri zenginliğini katma değere dönüştürebilmesi,

dünya bor pazarında sahip olduğu bu zenginliğe koşut bir yere gelebilmesi için, katma

değeri yüksek, yaygın olarak büyük miktarlarda kullanılabilecek bor bileşikleri üretimine geçmesi gereklidir. Bu bağlamda sodyum borhidrür üretimi iyi bir

örnektir. Sodyum borhidrürün mevcut kullanım alanları: · Özellikli Arıtım Kimyasalları, · Selüloz Ağartma, · Metal Yüzeylerin Temizlenmesi, · Fotoğrafçılık Ve Metal Yüzey işlemlerinde Değerli Metal Kazanma, · Atık Sulardan Ağır Metalleri Giderme, · Hidrojen Tasıma/Depolama olarak sıralanabilir. Kullanılmasının yaygınlaştırılmasında en önemli engel ise mevcut üretim

yöntemleri nedeniyle fiyatının yüksekliğidir.

2. SODYUM BORHİDRÜR ÜRETİMİ

Sodyum borhidrür ilk olarak 1942’de H.J. Schlesinger, H.C. Brown, H.R. Hoeckstra ve L.R. Rapp tarafından bulunmuştur ve pek çok üretim yöntemi geliştirilmiştir .

Sodyum borhidrürün ilk üretimi ise 1954’te A.B.D.’de Schlesinger yöntemiyle gerçekleştirilmiştir .

Günümüzde de endüstriyel olarak kullanılan bu yöntemde, yüksek kaynama noktalı bir hidrokarbon yağ içinde dağıtılmış çok ince taneli sodyum hidrür trimetilboratla, atmosferik basınç ve 250-280°C’d e reaksiyona sokulmaktadır.

4 NaH + B(OCH3)3 NaBH4 + 3 NaOCH3 Su ilavesiyle yağ fazı ayrılıp reaktöre geri çevrilmekte, sodyum bor hidrürlü çözeltiden ise NaOCH3 + H2O NaOH + CH3OH bağıntısına göre oluşan metan ol, damıtma ile ayrılmakta ve trimetil borat üretimine geri çevrilmektedir.

% 12 NaBH4 ve % 42 NaOH içeren çözelti ya olduğu gibi pazarlanmakta ya da izopropil aminle sodyum borhidrür ekstrakte edilmektedir.

Literatürde yukarıda kısaca özetlenen endüstriyel üretim yönteminin dışında pek çok sodyum borhidrür üretim yöntemi önerilmektedir. Önerilen bu yöntemler elektrokimyasal, kimyasal ve mekanik alaşımlama olarak sınıflandırılmaktadır.

3. SODYUM BORHİDRÜR SENTEZİ VE ÜRETİM ÇALISMALARI

TÜBTAK Marmara Araştırma Merkezi, Kimya ve Çevre Enstitüsü ile Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü (BOREN) arasında “Sodyum borhidrür üretimi ve sentezi” konulu proje çalışması 21 Aralık 2004 tarihinde imzalanan sözleşme ile başlatılmıştır. Proje, 2 Ana is paketini içermektedir:

Sodyum Borhidrür (SBH) Sentez Yönteminin Geliştirilmesi

Sodyum Borhidrür Üretimi Pilot Tesis Çalışması “Sodyum Borhidrür (SBH) Sentez Yönteminin

Geliştirilmesi” is paketinde laboratuar ölçeğinde sodyum borhidrür sentezleme çalışmaları gerçekleştirilmiştir.

Literatürde bahsedilen SBH üretim yöntemlerinden:

1. ELEKTROLİZ YÖNTEMLERİ

Sulu ortamda elektroliz Eriyik elektrolizi Organik ortamda elektroliz Plazma elektrolizi

2. KATI/KATI REAKSYONLARI

Metal/Kompleks İhidrürlerle alaşımlama 3. KİMYASAL YÖNTEMLER

Borik asit esteri ile üretim ile sodyum borhidrür üretimi araştırılmış ve olumlu sonuçlar elde edilen kimyasal yöntem (borik asit esteri ile üretim) projede ana üretim yöntemi olarak seçilmiştir.

Sodyum borhidrür üretiminin ham maddeleri olan trimetilborat (%99 saflıkta) ve sodyum hidrür (%98 saflıkta) yüksek verim ve saflıkta yarı pilot ölçekte basarı ile sentezlenmiş ve üretim bilgi paketleri oluşturulmuştur. Bu iki hammadde kullanılarak yukarıda verilen reaksiyon uyarınca sodyum borhidrür (en az %95 saflıkta) yine yüksek verim ile yarı pilot ölçekte basarıyla üretilmiştir (Sekil 1). Laboratuar çalışmaları sonrasında pilot üretim için gerekli bilgi paketi oluşturulmuş ve SBH pilot tesisi tasarlanmıştır.

SEKİL 1. TÜBTAK MAM’ DA ÜRETİLEN A) SODYUM HİDRÜR VE B) SODYUM BORHİDRÜRKRİSTALLERİ.

4. DOGRUDAN SODYUM BORHİDRÜRLÜ YAKIT PİL ÜRETİMİ VE ENTEGRASYONU ÇALISMALARI

Yerli kaynakların yoğun kullanımı ile doğrudan

sodyum bor hidrürlü yakıt pili modül ve sistem bileşenleri üretimi ve/veya temini sonucunda özellikle taşınabilir uygulamalarda kullanılmak üzere 70-100W’lık doğrudan sodyum borhidrürlü yakıt pilinin üretilmesi amaçlanmıştır.

Doğrudan sodyum borhidrürlü yakıt pili ve gerçeklesen reaksiyonlar Sekil 2’de görülmektedir.

SEKİL 2. DOĞRUDAN SODYUM BORHİDRÜRLÜ YAKIT PİLİNİN ŞEMATİK GÖSTERİMİ

Anot: BH4+ 8OHBO2 + 6H2O + 8e-

Katot : 2O2 + 4H2O + 8e8OH

Toplam:BH4+ 2O2 BO2+ 2H2O

Proje kapsamındaki baslıca is paketleri

1)Literatür araştırması, 2) Doğrudan sodyum borhidrürlü yakıt pili üretimi için yakıt pili modül

ve sistem bileşenlerinin üretimi, geliştirilmesi ve/veya temini, 3) Tek hücreli yakıt pili oluşturulması ve performans

Anot: BH4- + 8OHBO2 + 6H2O + 8e- Katot : 2O2 + 4H2O + 8e- ® 8OH Toplam: BH4+ 2O2 BO2+ 2H2O testleri 4) Üç hücreli yakıt pili oluşturulması ve performans testleri, 5) 70-100 W’lık doğrudan sodyum borhidrürlü yakıt pili modülü

oluşturulması ve performans testleri, 6) 70-100 W’lık doğrudan sodyum borhidrür yakıt pili için sistem alt

bileşenlerinin üretimi ve/veya temini, 7) Askeri/sivil alanda kullanılmak üzere 70-100 W’lık doğrudan

sodyum borhidrür yakıt pili sistem entegrasyonu ve performans testleri ve

8) Proje raporlarının hazırlanmasıdır.

Projenin 2. is paketi olan “Doğrudan sodyum borhidrürlü yakıt pili üretimi için yakıt pili modül ve sistem bilesenlerinin üretimi, geliştirilmesi ve/veya temini” is paketi kapsamında yakıt pilinin agırlıkça % 85’inden fazla, maliyetçe % 65’inden fazla kısmını olusturan bipolar plaka, elektrokatalizör ve membran elektrot ünitesi üretimleri ile ilgili çalısmalar yapılmıs ve bu bilesenlerin üretimleri gerçeklestirilmistir. Her bir bilesenin ayrı ayrı karakterizasyonundan sonra tek hücreli sistemde performans testleri yapılmıs ve elde edilen sonuçlar dogrultusunda çok hücreli dogrudan sodyum borhidrürlü yakıt pili üretim çalısmalarına baslanmıstır. Üretilmis olan katalizörlere ait olan bir voltammogram ticari katalizörle karsılastırmalı olarak Sekil 3’te görülmektedir.

ÜRETİLEN BİLESENLERLE OLUSTURULAN YAKIT PİLİ MODÜL VE SİSTEMİ SEKİL 4’TE BU SİSTEMDE ELDEEDİLEN PERFORMANS GRAFİGİ İSE SEKİL 5’DA VERİLMİSTİR.

Gelinen nokta itibariyle 70-100W dogrudan borhidrürlü yakıt pili üretimi için yeterli sayı ve miktarda bilesen üretimi ve son kullanıcı uygulamasına yönelik entegrasyon çalısmalarına baslanmıstır.

5. SONUÇ

Dünyada yeni gelismekte olan bu alternatif hidrojen depolama teknolojisinin ana girdisi olan sodyum borhidrürün üretim teknolojisinin gelistirilmesi Türkiye’nin zengin bor yataklarının yaygın olarak kullanılmasına olanak saglaması açısından çok önemlidir.

Sodyum borhidrürün enerji gibi kritik bir alanda kullanılması ise bu projeye ayrı bir önem kazandırmaktadır.

Bu nedenle BOREN tarafından desteklenen bu iki proje ile önümüzdeki yıllarda önemi ve kullanımının artacagı öngörülen sodyum borhidrürün endüstriyel ölçekte üretimi ve yakıt pillerinde uygulaması ülkemize ciddi bir katma deger saglaması beklenmektedir.

KAYNAKLAR

[1] Adams R.M., Boron, Metallo-Boron Compounds and Boranes, John Wiley and Sons, New York (1964).

[2] Brown, H.C., Hydroboration, W.C. Benjamin. Inc., New York (1962)

[3] Sullivan E.A., Wade R.C., Hydrides, Kirk Othmers’Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley and Sons, New York (1978), 3rd. Ed., Vol.12, p 772- 774.