SODYUM BOR HİDRÜRDEN HİDROJEN ÜRETİMİ HAZIRLAYAN: HAKAN AKDENK 140742501 SODYUM BOR HİDRÜRDEN HİDROJEN ÜRETİMİ   DANIŞMAN: Yrd. Doç. Dr. İBRAHİM YAVUZ

GİRİŞ   Dünyanın bugünkü enerji gereksiniminin büyük kısmını karşılayan fosil yakıtlar (petrol, doğal gaz ve kömür) hızla tükenmektedir. Mühendisler ve bilim adamlarının çoğunluğu, tüm bu küresel problemlerin çözümünün, var olan fosil yakıt sistemleri yerine hidrojen enerjisi sistemlerinin kullanılması konusunda birleşmektedirler.

Hidrojen çok etkin ve temiz bir yakıttır Hidrojen çok etkin ve temiz bir yakıttır. Yanması sonucunda sera etkisine neden olmaz; ozon tabakasının incelmesine neden olan kimyasallar üretilmez; asit yağmuru ve çevre kirliliğine neden olan bileşenler çok az üretilir ya da üretilmez.

HİDROJEN YAKITI Günümüzde fosil yakıtların kullanıldığı birçok uygulama için hidrojenden de yararlanılmaktadır. Hidrojen üretimi için bilinen yöntemler; güneş-buhar güç çevrimi, elektroliz yöntemi, güneş enerjisi termo kimyasal yolla suyun ayrıştırılması, ağır petrol kalıntılarından, kömürden, benzinden hidrojen üretimi şeklinde sıralanabilir.

Söz konusu yöntemlerden elde edilen hidrojenin depolanması, taşınması ve kullanımı, hidrojenin tabiatından kaynaklanan bir çok zorluk taşımaktadır. Bilim çevreleri hidrojenin araçlarda kullanımı için üç depolama alternatifi sunmaktadır: Sıkıştırılmış gaz şeklinde, Sıvı halde, Metal hidritler şeklinde depolama

Yapılan araştırmalar bu alternatifler içinde metal hidritler şeklinde depolamayı ön plana çıkarmıştır. H2 tanklarda sıvılaştırılmış veya sıkıştırılmış olarak, aktifleştirilmiş karbon, karbon nanotüpleri, grafit nanofiber, hidrojen absorbe eden alaşımlar veya NaBH4, NaH, LiH veya NaAlH4 gibi kimyasal hidritler tarafından depolanabilir. Bu yöntemler arasında NaBH4 gibi kimyasal hidritlerin hidrolizi üzerinde durulmuştur.

Yapılan çalışmalar, NaBH4’ün yüksek H2 içeriğinden dolayı hidrojen depolama ortamı olarak kullanılabileceğini ortaya konmuştur. NaBH4 ağırlıkça % 10,6 H2 içermekte olup bu diğer, hidrojen depolayıcı bir çok bileşikten çok daha yüksektir.

BOR ELEMENTİ Simgesi (B) olan Bor'un atom numarası 5, ergime noktası 2190 °C olup, periyodik sistemin üçüncü grubunun başında yer almaktadır. Bor tabiatta serbest olarak bulunmaz. Bor elementi, doğada 150'den fazla mineralin yapısı içinde yer almasına rağmen; ekonomik anlamda bor mineralleri kalsiyum, sodyum ve magnezyum elementleri ile hidrat bileşikleri halinde teşekkül etmiş olarak bulunur.

Yeryüzünde bor yatakları belirli bazı bölgelerde toplanmıştır Yeryüzünde bor yatakları belirli bazı bölgelerde toplanmıştır. Kaliforniya, Güney Amerika, Türkiye ve Orta Asya'daki önemli bor yatakları hep önemli fay kırıklarına yakın bulunmaktadır. Bu yatakların içerdikleri bor minerali cinsi ve konsantrasyonları çok değişik olduğundan birbirleriyle daha çok B2O3 (borat-bor trioksit) içerikleri açısından karşılaştırılmaktadırlar.

Türkiye dünya görünür rezervinin % 63'sına toplam rezervin ise % 60'ına sahiptir. Ülkemiz görünür rezervleri bugünkü üretim hızımızla yıllık 1,5 milyon ton B2O3’lük dünya tüketimini 250 yıl, toplam rezervlerimiz ise 570 yıl süreyle karşılayabilir. Bizim dışımızdaki görünür rezervler 125 yıl, toplam rezervler de 410 yıl süreyle dünya tüketimini karşılayabilecek miktardadır.

Kuvvetli indirgenme özelliğe sahip bir bor bileşiği olan sodyum bor hidrür (NaBH4) günümüzde kağıt hamurunun beyazlaştırılmasında, metal yüzeylerin temizlenmesinde, gibi pek çok alanda ticari olarak kullanılmaktadır. Sodyum bor hidrür, bir katalizör varlığında su ile tepkimeye girerek hidrojen gazı üretme özelliğine sahiptir.

SODYUM BOR HİDRÜRDEN HİDROJEN ÜRETİMİ Yakıt eldesi yönteminde; sodyum bor hidrürün suyla karıştırılması sonucu elde edilen sıvı, “yakıt” olarak kullanılmaktadır. Bor hidrürlerden hidrojen elde etmek için, bu bileşiklerin öncelikle istenilen sıcaklıkta sulu çözeltileri hazırlanır ve daha sonraki aşamalarda çözeltide bor hidrürün suyla reaksiyona girmesini hızlandıran bir katalizör ortama katılarak H2 üretimi gerçekleştirilebilir.

Bor hidrürlerden en güvenilir ve kullanım açısından en kolay olanı NaBH4 olup, hidrojen depolama konusunda pratik kullanıma sahiptir.

Sulu bazik NaBH4 çözeltisi seçilmiş katalizörle temas ettirildiğinde H2 gazı ve suda çözünülebilen NaBO2 vermek üzere aşağıdaki reaksiyona göre hidrolizlenir.

Bu reaksiyonu cazip hale getiren ürün olarak oluşan hidrojenin yarısının NaBH4’ten diğer kalan yarısının ise sudan üretilmesidir. Böylece, sodyum bor hidrürden elde edilen toplam hidrojen miktarı artarak, ağırlıkça % 21,2’e ulaşmaktadır. Bu reaksiyona göre su, reaksiyona giren bileşiklerden biri olduğu için bir bakıma suyu da yakmış oluyoruz. Diğer taraftan 1 Litre %35 lik sodyum bor hidrür çözeltisi 77gram hidrojen içerdiğini bunun ise 70°F, 1 atmosfer basınçta 921 litre hidrojen eşdeğerdir.

Enerji üretmek için hidrojen ihtiyacı gerektiğinde bu karışım içine uygulanan katalizör aracılığı ile kimyasal reaksiyon başlatılmaktadır. Bu reaksiyon sonunda sodyum bor tuzu (sodyum metaborat) atık olarak birikmektedir. Sistemde enerji kaynağı olarak kullanılan hidrojen, sadece ihtiyaç halinde üretileceğinden, burada kullanılan katalizör çözeltiden istenildiği zaman ayrılabilmekte ve reaksiyon kontrollü olarak durdurulabilmektedir.

Hidroliz reaksiyonu sonucunda yan ürün olarak oluşan NaBO2’nin ana yakıta geri dönüşümü kömür ya da metan kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Ancak metanın karbona olan pirolizi enerji ve ekonomik açıdan verimsiz olması nedeniyle indirgeyici olarak kömürün kullanılması önerilmektedir.   NaBO2 + C + 2H2O  NaBH4 + 2CO2 2C + 4H2O  2CO2 + 4H2

Aşağıdaki şekilde verildiği gibi, yan ürünün yeniden NaBH4 üretiminde kullanımı ile depolama sisteminin enerji döngüsü oluşturulmuştur.  

Tepkime sonucu açığa çıkan nemli H2 gazı ve NaBO2 çözeltisi birbirinden ayrılmakta ve hidrojen gazı nem miktarının ayarlandığı ısı değiştirici bölmesine gönderilmektedir. NaBO2 çözeltisi ise ayrı bir tankta biriktirilmektedir. Son aşamada, nem miktarı ayarlanmış saf H2 gazı enerji üretiminde kullanılmak üzere yakıt pili veya içten yanmalı bir motora gönderilmekte, NaBO2 çözeltisi ise yeniden NaBH4 üretiminde kullanılmak üzere sistemden geri alınmaktadır.

Oda sıcaklığında, teorik H2 miktarının sadece çok az bir kısmından H2 üretimi sağlanmaktadır. Hidroliz reaksiyonu ancak katalizör kullanılarak hızlandırılabilir. H2 üretim hızını artırmak için birçok katalizör üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Co, Ni,Pt-TiO2, Pt-CoO, Pt-LiCoO2 gibi metal oksit katalizörleri kullanılabilir.  

Katalitik olarak NaBH4 çözeltilerinden H2 üretimi aşağıdaki avantajları taşır: 1) Kullanılan karışımın içinde çözelti halinde bulunan sodyum bor hidrür çözeltilerinin yanıcı olmaması, 2) Tepkimenin kolayca kontrol edilebilmesi, 3) Kullanılan hidrojenin yarısının sodyum bor hidrürden diğer yarısının ise sudan alınması 4) Katalizörün defalarca kullanılmaya uygun olması,

5)NaBH4 çözeltileri havada aylarca kararlıdır. 6) H2 üretimi sadece seçilmiş katalizör varlığında gerçekleşir. 7)Reaksiyon ürünleri çevresel olarak güvenlidir. 8) Reaksiyon ürünleri geri dönüşümlüdür. 9) H2 üretimi 0 ̊C’ de bile gerçekleşebilir.

Farklı konsantrasyona sahip sodyum bor hidrürün çözeltisi varlığında elektriksel alanın etkisiyle katot bölgesinde çıkan gaz hacimlerinin zamanla değişimi %10 sodyum bor hidrür varlığında katotta çıkan gaz miktarı %20 ve %30 sodyum bor hidrür varlığına göre oldukça düşüktür.

Fakat %20 ve %30 sodyum bor hidrür varlığında katotta suyun elektroliziyle oluşturulan hidrojen miktarında fazla bir değişim yoktur. Buda bize %20 sodyum bor hidrür içeren çözeltilerin konsantrasyonunun daha fazla artmasıyla hidroliz verimin artmayacağını göstermektedir.

Şekilde %10, %20, ve %30 sodyum bor hidrür varlığında anotta çıkan gazların hacimleri arasında büyük bir fark olduğu kolaylıkla görülebilir. Bu nedenle anotta %20 ve %30 sodyum bor hidrür varlığında çıkan gazların hacimlerinde büyük bir farkın olması sodyum bor hidrürün hidrolizinim konsantrasyon arttıkça, hidrojen üretiminin arttığını göstermektedir. Hem anot hem katotta elde edilen gazların toplam hacimlerinin zamanla değişimi verilmiştir.

Bütün bu sonuçlar ışığında hidrojenin ayrışma gerilimi 1,23 volt olarak düşünülecek olunursa düşük voltajlarda sodyum bor hidrürün hidrolizi ile suyun elektrolizini gerçekleştirmenin daha doğru olacağı sonucuna varmak yerinde olur. Daha yüksek voltajların uygulanması çözeltiyi ısıtarak enerji kaybına sebep olmaktadır.

BOR HİDRÜRLÜ YAKIT PİLİ Bir yakıt pilinde sodyum bor hidrürün ağırlıkça %44’lük çözeltisi kullanırsa bir litre çözeltiden 5,11 kW/h enerji elde edilebilir ki, bu değer bir litre benzinden teorik olarak elde edilebilecek enerjinin %56’sına eşittir. Ancak yakıt pili elektrik motorundaki enerji dönüşüm veriminin, içten yanmalı motora oranla 2,5-3 kat daha fazla olması nedeniyle, mevcut yakıt tanklarıyla kat edilen yol, sodyum bor hidrür için de geçerlidir.

UYGULAMA ÖRNEKLERİ ABD Enerji Bakanlığı’nın alternatif enerji kaynakları ve teknolojilerini araştırma programı kapsamında New Jersey’de çevre dostu hammaddeler kullanarak hidrojen ve elektrik enerjisi üreten teknolojiler geliştirmek amacı ile Millenium Cell isimli bir firma kuruldu. Bu firmanın ürettiği “Hydrogen on DemandTM” isimli teknolojide saf su ve sodyum bor hidrür kullanarak hidrojen üretilmektedir.

Natrium isimli bu aracın benzinli veya yakıt pili sistemli araçlardan üstünlüğü, kullandığı yakıt ve yakıt pili sistemidir. Yakıt olarak bir bor türevi olan sodyum bor hidrürü (NaBH4) kuru halde kullanılabilmektedir. Sodyum bor hidrür yakıt pilli araçlar için önerilen diğer yakıtlardan daha kolay elde edilebilir. İşlem sonucu oluşan atık, kimyasal olarak bor’a eşdeğer olan sodyum bor tuzudur ve tekrar işlenerek sodyum bor hidrüre dönüştürülebilmektedir.

SONUÇ Dünya bor madeni rezervlerinin yüzde 63'üne sahip olan Türkiye, dünya bor ürünü piyasasından sadece yüzde 5 pay almaktadır. ABD’den sonra en fazla bor üretimi Türkiye'de gerçekleştirilmekte, satılabilir konsantre ve rafine bor ürünleri üretiminin yaklaşık yüzde 8’i iç pazarda tüketilirken geriye kalan yüzde 92’si ise ihraç edilmektedir.

Bor cevheri, Türkiye için önemli bir zenginlik kaynağıdır Bor cevheri, Türkiye için önemli bir zenginlik kaynağıdır. Bu nedenle bu cevherlerin iyi bir şekilde değerlendirilmesi ülke ekonomisine önemli katkı sağlayacaktır. Türkiye'nin, sodyum bor hidrür (NaBH4) den hidrojen üretimi tekniklerinin geliştirilmesinde önderlik etmesi, ülkenin ekonomisine büyük ölçüde katkı sağlayacaktır.