Bazı parametrelerin lityum metaborat dihidratın difüzyon katsayısı ve metastabil bölge genişliğine etkisi

Abstract

Bor bileşikleriyle ilgili çalışma alanlarının hızla çeşitlilik kazanması, bu bileşiklerin endüstriyel üretim koşullarınının belirlenmesinin önemini daha da arttırmaktadır. Endüstriyel uygulamalarda şarj edilebilen pillerin üretiminde, lityum-iyon bileşimli pillerde, silikat analizinde, cam ve seramik sanayinde geniş kullanım alanına sahip olan lityum metaborat dihidrat bileşiğinin üretim parametrelerinin belirlenmesi, günümüz araştırmacılarının büyük dikkatini çekmektedir. Bu tez çalışmasında, kristalizasyon yöntemi kullanılarak lityum metaborat dihidrat bileşiğinin 45 oC, 50 oC ve 60 oC sıcaklıklarındaki üretim koşulları belirlenmiştir. Çalışmada öncelikle, lityum metaborat dihidrat'ın kristal büyümesini etkileyen difüzyon adımı ve çeşitli parametrelere bağlı olan difüzyon katsayısı belirlenmiştir. Difüzyon katsayısının belirlenmesinde diyafram hücre tekniğinden yararlanılmıştır. Çalışmada ayrıca, lityum metaborat dihidrat bileşiği için politermal yöntemi kullanılarak, 45 oC, 50 oC ve 60 oC sıcaklıklarındaki doygun çözeltilerinin her biri ayrı ayrı 1, 3, 5, 7 oC/saat soğutma hızlarında soğutularak metastabil bölge genişlikleri belirlenmiştir. Daha sonra Kalsiyum (Ca) ve etilalkol safsızlıklarının, bileşiğin verilen sıcaklık değerlerindeki doygun çözeltilerinin metastabil bölge genişliklerine olan etkileri incelenmiştir. Aşırı doygun çözelti ortamında oluşan nükleiler ile çözelti arasındaki yüzey geriliminin değerini belirlemek için indüksiyon periyodu yöntemi kullanılmıştır. Tez çalışmasından elde edilen deneysel sonuçlara göre, lityum metaborat dihidratın nükleasyonunun 62.35 oC'de hem homojen hem de heterojen nükleasyon tarafından kontrol edildiği ve homojen nükleasyon için yüzey gerilim değerinin 0.00770 mj/m2 olduğu, heterojen nükleasyon için yüzey gerilim değerinin ise 0.00205 mj/m2 olduğu saptanmıştır. Deneysel verilerde, sıcaklığın artmasıyla birlikte nükleasyon hız sabiti değerinin azaldığı ve metastabil bölge genişliğinin ise arttığı görülmüştür. Bulunan bu nükleasyon hız sabitleri Arhenius eşitliğine göre değerlendirildiğinde nükleasyon için gerekli olan aktivasyon enerjisinin -214,49 kj/mol olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, farklı konsantrasyonlardaki Ca(II) ve Alkol gibi safsızlıkların çözeltinin doygunluk sıcaklıkları üzerinde oldukça etkin olduğu ve metastabil bölge genişliğini daraltma yönünde bir etkiye sahip olduğu sonucuna varılmıştır.

Working areas related to boron compounds are rapidly diversed and this resulted in increasing the importance of industrial production conditions' determination of these compounds. Therefore, determination of parameters of lithium metaborate dehydrate, in industrial applications of which, it is wide used in rechargeable batteries, in the production of lithium-ion batteries, in the silicate analysis and in the glass and ceramics industry, draws the major attention of the present researchers. In this study, the production conditions of lithium metaborate dihydrate compund were determined by using the crystallization method in 45 oC, 50 oC and 60 oC temperatures. In the first, the diffusion coefficient depends on various parameters and the diffusion step affecting crystal growth of lithium metaborate dihydrate was determined. The diaphragm cell technique was basically used to determinate the diffusion coefficient. In the study also, by using polythermal method, the metastable zone widths of lithium metaborate dihydrate were determined in the conditions of 45 oC, 50 oC and 60 oC temperatures and saturated solutions independently with 1, 3, 5, 7 °C/hr cooling rates. Then, the effects of calcium (Ca) and ethyl alcohol impurity on the metastable zone width of the saturated solution of the compound were determined in the given temperature conditions. To determine the surface tension value between the solution and the nuclei occured in the supersaturated solution, the induction period method is used. The experimental results show that, the nucleation of lithium metaborate dihydrate is controlled by homogeneous nucleation as well as heterogeneous nucleation in 62.35 oC temperature and the surface tension value for homogeneous nucleation was determined as 0.00770 mj/m2 while the surface tension value for heterogeneous nucleation was determined as 0.00205 mj/m2. Experimental datas show that with increasing of the temperature, the nucleation rate constant values were decreased and the metastable zone width was found to increase. Evaluating these nucleation rate constants to Arhenius equation, the necessary activation energy for nucleation was determined as -214.49 kJ/moles. Moreover, it is concluded that the impurities such as Ca (II) and alcohol in different concentrations were found to be highly effective on the solution saturation temperatures, and these impurities were found to have a narrowing effect on metastable zone width.