Kömür kimyasalları, üre ve gıdamız

Dünyada neredeyse her ülkenin kömürü vardır. Asıl olan kömürü kaynaktan son kullanımına, yaşam döngüsünde insan ve gezegene mümkün en az etkilerle tüketmektir. Hep “Ülkemizde kömürün, termik santrallerin hikayesi kötü ve acı” derim. İçim yanar. İnsan kömür ve kömürü işlemeyi çok uzun süredir çok iyi bilmektedir. İş Sağlığı ve Güvenliği zorunlu ve öncelikli olarak kömürü havzasında işleyememenin hiç bir teknik mazereti, aması, fakatı hiç olamaz. Kömürümüzün karbonu kimyasallarımızda, üremizde yerli katma değer ve istihdam yaratmalı.

Değerli Okuyucularım,

Kimya endüstrisi; hidrokarbonları diğer deyişle kömür, petrol, doğal gaz, bitkisel ve hayvansal biyokütle ile hava, su ve cevherleri yaşamımızdaki son ürünler için işler. Gezegenimizin kaynakları kimyasal, ara ürün, son ürün ve yakıt olarak insana kimyanın organik ve inorganik gücünü sunar. Bizim için kömür, petrol, doğal gaz ve biyokütle hem ham madde, hem de enerji kaynağıdır. Bu kaynakların yapısındaki karbon, hidrojen, azot, kükürt, oksijen dönüşüm teknolojileriyle en küçük moleküllü organik kimyasallardan devasa moleküllere değişen bir yelpazede envai çeşit ürün ile karşımıza çıkar. Önce kimya ve kimyagerler vardı. Odunu işlediler. En küçük moleküllü temel kimyasal olan metanole odun ruhu, asetik aside ise odun sirkesi dediler. Kömürün keşfi, sanayileşme ile kömür kimyasallarını önce endüstri kimyagerleri üretti. Bilim, teknoloji ve endüstri gelişimiyle 4 temel mühendislik dalının artık adı vardı: Elektrik; İnşaat; Kimya; Makine. Kimya mühendisliği petrol rafinasyonu teknolojisi gelişimiyle coştu. Odun, kömür, petrol ile proseslerini yönetme yetkinliği giderek artan, sürekli teknoloji geliştiren kimya mühendisleri biyokütle ve doğal gazı da mükemmel işlemeyi başardı. Kimya endüstrisi gezegenimizin karbon, su, azot döngüsünü rafineri ve biyorafinerilerde yaşama, insanlığın ve doğanın kullanımına sunar.

Kimya endüstrisinin insana dokunan, ilk ve en önemli ürünü gübredir. Gübreye giden teknik yolda kömür, azot (N), hidrojen (H), amonyak (NH3) ve üre NH2-CO-NH2 vardır. İsveçli Kimyager Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) havanın iki gazlı bir karışım olduğunu 1772’de göstererek, bunlardan birine yanmayı desteklediği için “Ateş Havası-O”, diğerine yanma ardından kalan gaz olarak “Kötü Hava-N” adını verdi. İngiliz Doğa Filozofu, çağının en önemli deneysel ve teorik Fizikçi ve Kimyageri Henry Cavedish (1731-1810) ile İngiliz Din ve Bilim Adamı Joseph Priestley (1733-1804) hava ve gaz kimyası bilgilerimizi ileriye taşıyarak azotu tanımladılar. İskoç Botanikçi Daniel Rutherford (1740-1819) ise doktorasını yaparken, havadan azotun ayırılabileceğini göstererek, 1772’de azotu keşfetti ve bulgularını yayınladı. Ardından yapılagelen çalışmalarda bu yeni gazın Nitre(Niter) adı ile bilinen, doğada bulunan nitratlardan, nam-ı diğer güherçilelerden Potasyum Nitrat (KNO3;Hint Güherçilesi) bileşiminde olduğu görüldü. Sodyum Nitrat (NaNO3; Şili Güherçilesi) ve Kalsiyum Nitrat (Ca(NO3)2; Kireç Güherçilesi) diğer gübre olarak kullanılan güherçilelerdir. 1790’da Fransız Kimyager ve Devlet Adamı Jean Antoine Claude Chaptal (1756-1832) gazı Nitrogen olarak adlandırıldı. Ancak elemente adını modern kimyanın kurucusu Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) verdi. Yunanca Azote “yaşam yok” demektir. Çünkü azotun solunması ölüme yol açabilir. İsim olarak “Nitrogen (Nitron+Genes: Nitratları oluşturan)” önerdi. Fransızca, Rusça ve Türkçe dillerinde azot, İngilizcede Nitrogen denilmekte. Nitrojen diye bir sözcük dilimizde bulunmamakta. Ancak kimyada tüm dillerde azo grubu, azo bileşikleri, azo boyaları diye kullanmaktayız. Azot ve tarım kimyası için bilim insanları çok emek verdi. İngiliz Bennet Lawes (1814-1900) ve Joseph Henry Gilbert (1817-1901) azotlu gübrelerin buğday verimini artırdığını yayınladılar. Tarımda organik gübre ve cevherler yetmez oldu. Nüfus artışı ile tarımda verimlilik artışı gereği ve gıda krizi olabileceği, çözümler gereği gündeme geldi. Güherçileler doğal gübre idi. İşte sentetik gübreye giden yolda hedef, azotu güherçilelerdeki gibi bir bileşik yapısına almak oldu. Azotun mühim yeri daha da anlaşıldı. Dünya nüfusunun hızla arttığı 1900’de azot döngüsü temel nitelikleri keşfedilmişti. Bu keşfin buhar gücü keşfi kadar ekonomi ve kalkınma için kritik olduğu görüldü. Yanı sıra Fosfor (P), Kükürt (S) ve potasyum (K) da önem kazanmaya başladı.

Toprak için azot, fosfor, kükürt, potasyum, gerekli idi. Cevherlerde ve havada saklı bu elementleri ürüne dönüştürme, sentetik gübreyi üretme uzun, sabırlı ve meşakkatli bir yol oldu. Keşifler sürdü. Atmosferde %78 oranında bulunan azot (yaklaşık 4 bin trilyon ton) kriyojenik (çok düşük sıcaklıklar) sıvılaştırılmış havadan fraksiyonlu distilasyon ile ayrıldı. 1895’te Carl von Linde laboratuvarda havanın sürekli sıvılaştırılmasını icat etti.

Hava ve kömürden kimyasallara ve gübreye giden süreçte amonyak ve üre sentezi için yıllarca uğraşıldı. Organik kimya teknolojisi için başlangıç Sentez Gazı (Karbon Monoksit+Hidrojen) olup, CO+H2 dönüştürmek için kimya mühendislerinin sihirli bir gaz karışımıdır. Çok sayıda kimyasal ve ürüne ulaşılabilir. 1913’te Alman Kimyager Friedrich Karl Rudolf Bergius (1884-1949) linyitten sıvı hidrokarbon karışımı eldesinin patentini aldı. Odunu şekere ve kömürü petrol ürünlerine dönüştürmek için çalıştı. Tesis inşasına başlandı. Ancak ilerlenemedi. Patenti BASF satın aldı. F. Bergius 1931’de Endüstri Kimyageri Carl Bosch (1874-1940) ile “Kimyasal yüksek basınç yöntemlerinin keşfi ve geliştirilmesi” konusunda Nobel Ödülü aldı. 1923 yılında ise, Alman bilim adamları Dr. Franz Fischer ve Dr. Hans Tropsch, sentez gazından “Synthol Süreci” ile sıvı hidrokarbonların üretimini başardılar. Fischer- Tropsch Sentezi (FTS) ilk uygulamaları İkinci Dünya Savaşı boyunca Almanya’da oldu. Savaşta Alman motor yakıtı tüketiminin yarısı kömür kökenli sentetik sıvı yakıtlarla karşılanırken, bu kritik tedarik ile savaş uzadı. Günümüzde FTS, kömürden sıvı (CTL), doğal gazdan sıvı (GTL), petrol kumundan sıvı (OTL) ve biyokütleden sıvı (BTL) üretimleri enerji sektöründe yerini giderek güçlendirmektedir. Bu sentez Sürdürülebilir Havacılık Yakıtları (SAF) için de önemli. Giderek coşan Entegre Gazlaştırma Kombine Çevrimi (IGCC) yatırımlarını takipte yarar var.

Azotun kömürün gazlaştırma ürünü sentez gazından elde edilen hidrojenle reaksiyonunun ürünü amonyak Almanya’da üretildi. 1900 yılında Wilhelm Ostwald (1853-1942) demir katalizör ile yüksek sıcaklık ve başınçta laboratuvarda amonyak üretti. Carl Bosch, BASF firmasınca W. Oswald’ın iddiasını kontrol etmek için görevlendirildi. BASF azot projesini (1902-1924) başlattı. Prof. Dr. Fritz Haber (1868-1934) ticari amonyak sentezi için çalıştı. İlk makalesini 1905’te yayınladı. W. Oswald’ın öğrencisi Walther Nernst reaksiyon için farklı verimler yayınlayarak, 1907’deki bilimsel toplantıda F. Haber’i küçük düşürdü. F. Haber çalışmayı sürdürdü. 1908’de BASF araştırmaya fon sağladı. 23 Mart 1909’da, F. Haber 100 atmosfer basınç, 500oC sıcaklık ve Osmiyum katalizörlü amonyak reaksiyon sonucunu BASF’e bildirerek, bulunabilecek tüm Osmiyum’un satın alınmasını önerdi. BASF bulamadı. Ardından ticari üretime geçilip geçilemeyeceği tartışıldı. Katalizör araştırmaları sürdü. 2500 farklı katalizör 6500 kez test edildi. F.Haber prosesini laboratuvar ölçeğinden endüstriyel ölçeğe C.Bosch ilerletti. 1913’te Oppau’da Haber-Bosch Prosesi ile ilk amonyak ticari üretim tesisi kurularak endüstriyel gübre üretimi başlatıldı. Organik gübre azlığı ve gıda kıtlığı için girişimcilik riski alındı. O günden bu güne Haber-Bosch Prosesi ile insan için gıda güvencesi yaratılıyor. Bu konudaki diğer bir husus ise azotun patlayıcılar için kritik olduğudur.Birinci Dünya Savaşı’nda amonyum nitratın patlayıcı olduğu biliniyordu. Almanya’da amonyak, amonyum nitrat vardı. Haber-Bosch Prosesi olmasaydı savaş daha kısa olurdu.

F. Haber amonyak üretim araştırması ile 1920’de, C. Bosch ile Endüstri Kimyageri Dr. Frederick Karl Rudolf Bergius (1884-1949) ise 1931’de yüksek basınçlı kimyasal proses geliştirme başarılarıyla birlikte Nobel Ödülü kazandılar. Amonyak tesisleri Fransa, Büyük Britanya ve Amerika Birleşik Devletleri’nde de kuruldu.

Oppau Tesisi’nde işçilerin boş zamanları için etkinlik odaları, kitaplık, restoran, bowling salonu ile itfaiye ve ilk yardım birimleri, ambulans vardı. Amonyum sülfat ve amonyum nitrat üretilerek 1:1 oranında karışık gübre pazara sunuluyordu. Amonyum sülfat tehlikeli sınıfta olmayan bir bileşik iken amonyum nitrat yanmayı hızlandırabilir ve belli koşullarda patlayıcıya dönüşebilir. Ancak amonyum nitrat 1:1 karışım oranı kullanıldığında tehlikeli değildir. Gübreler mevsimsel tüketildiğinden tesislerde büyük silolarda depolanırlar. Karışım gübre ağırlık nedeniyle basınç altında adeta alçıya benzer taşlaşıyor ve gübrenin silodan alınması zor oluyordu. Önce kazma kullanıldı. Ancak çöken gübre siloya giren çalışanı gömebilirdi. Ardından gübreyi gevşetmek için küçük dinamitlerle delikler hazırlanıyordu. 21 Eylül 1921 sabahında Silo 110 (4500 ton) alevlenerek, kocaman bir krater oluşarak ardışık iki patlama ve yangın oldu. Maalesef 5 bin üzerinde kişi ölerek 2 binden fazla kişi yaralandı. Bu teknik acı ders ardından BASF çok çalıştı. Proses geliştirilerek püskürtmeli kurutucu devreye alınarak kristalizasyon yapıldı. Önlemler alındı. Kimya endüstrisi öğrenmeye devam ediyor.

Dikkatinizi tekrar çekmek isterim. Bugün hidrojen ekonomisi gündemimizde. Amonyak molekülünde hidrojen var. Kritik. Amonyak ekonomisi de gündemdeki yerini güçlendiriyor. İleride yazacağım.

Amonyum nitrat ve amonyum süfat gibi amonyak türevleri üretimi önemli. Azotça en zengin gübreye erişim amonyaktan üre edilmesi ile başarıldı. Üre (Karbamid) protein metabolizmasında canlılarda oluşan, idrarda bulunan bir moleküldür. Doğal üreyi kimin keşfettiği tam belirlenemedi. Hollandalı Doktor, Anatomist, Botanikçi, Kimyager ve Hümanist Herman Boerhaave (1668-1738)) 1727’de idrarda üreyi keşfetti. Alman Kimyager Friedrich Wöhler, 1828’de bir biyomolekülü, biyolojik olmayan kaynaktan elde ederek, kimya endüstrisi için çığır aşan makalesini yayınladı. İnorganik amonyum siyanatı ısıtarak, izomerleşme ile üre elde etti. Wöhler Sentezi’ne benzer süreç ile üreye giden proseste, amonyak ve amonyak eldesinden gelen karbondioksitin tepkimesiyle önce amonyum karbamat, ardından üre ve su üretilmektedir. Dikkat ediniz. Karbondioksit moleküle giriyor. Üre üretimi sentetik organik kimyanın başlangıcıdır. Katalitik olmayan bu üretimin teknolojisi ve malzeme seçimi hiç kolay değildir. Tepkimeler yüksek verim için yönetilmelidir. Bir kimya mühendisi bu süreci iyi anlarsa, mesleki donanımı güçlü olur. Kimyasal Teknolojiler dersimin sınavlarında amonyak ve üre konularından hep güzel sorular olur.

Üre kimya sektöründe ham madde olarak, örneğin üre-formaldehit reçineleri üretimi için de mühim bir girdi. Enerji sektörümüz için ürenin ayrıcalıklı bir diğer konumu daha var. Yakıt istasyonlarında piyasaya arz edilen Motorin Egzoz Sıvısı (DEF; ISO 22241) bileşiminde yüksek saflıkta üre bulunmaktadır. Taşıt egzoz gazının Seçici Katalitik İndirgeme (SCR) ile arıtılmasında yaygın adı AdBlue® olan renksiz DEF kullanılmaktadır.

Günümüzde sentez gazı kömür yanısıra doğal gaz, hafif ve ağır hidrokarbonların buharda reformlanması ile üretilen sentez gazından amonyak, üre, hidrojen ve diğer ürünlere geçilebilmektedir. Gübreye giden yolda başta Avrupa’da lider kaynak doğal gazdır. Enerji krizi ardından gübre ve özellikle üre üretimi zora, gıda güvenliği tehlikeye girdi. Tarihsel gelişimde iki kere savaş uzatan karbon, hidrojen, oksijen ve azot, bugün enerji, kimyasal ve gıdaya erişimde bambaşka artan özel ve mühim konumda. Kömürünü yeniden öncelikleyen başta Almanya’daki gelişmelerden güzelim ülkemiz için de çıkarımlar yapmak gerek. Ukrayna-Rusya Savaşı hepimize enerji arzı, emre-amade enerji ve endüstri ham maddeleri için yerli kaynakların önemini yaşatarak öğretti. Enerjide oyun kurucu rolünü, coğrafyası ve dış ilişkileri bağlamında doğal gaz için ilerleten Türkiye’miz için kömürümüz, kömür kimyasallarımız için yerli gücümüz. Çünkü ülkemiz çok sayıda organik kimyasal ve üre ithalatçısı.

Geçen yıl Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi 26. Taraflar Konferansı (COP26) ile kömürden çıkma gündemde iken, bu yıl kömür yepyeni bir konumda. Konu COP 27’de, 6-18 Kasım 2022 tarihlerinde masada. Enerji-İklim İkilemi yanında Enerji-İklim-Gıda Üçlemi önümüzde.

Enerjinize, çevrenize ve ikliminize iyi bakınız değerli okuyucularım.