Fen Bilimleri Projesi – ICE BURNER

PROJENİN ADI: ”Ice Burner”

( Ülkemiz İçin Kış Şartlarına Uygun Özgün Bir Buz Çözücü Geliştirilmesi)

GİRİŞ

Değişik iklim şartlarında çok farklı sıcaklıklar ölçülebilmektedir . Bu bir taraftan çoklu bir iklimi yanında getirir . Bu iklim farklılığı yaz için güzellikler getirirken kış içinde farklı sıcaklıkları kuzeylerinde Toros Dağları eteklerinde sıcaklık 15 dereceyi bulmaktadır . Kışın bu soğuk yüzü içerilere doğru şiddetini arttırmakta ve kuzeye gidildikçe daha tehlikeli bir hal almaktadır . Örneğin Erzurum, Kars, Ardahan, Ağrı, Artvin, Bitlis, Muş, Van, Hakkari’de sıcaklık -50 dereceye kadar düşmektedir . Kış, tüm ülkemizde az veya çok buzlanma , karlanma ve gizli buzlanma ile kara yollarında , şehir içi ve çevresel yollarda çok büyük maddi hasarlara ve sıkça duyduğumuz can kayıplarına neden olmaktadır.En son geçen yıl bir kar yağışında babamın aracının kayması sonucu ciddi bir maddi hasarla aile bütçemiz sarsılmıştı. Bunun üzerine ,yollarda ki buzlanma daha erken çözülemez mi kar yağsa dahi yolların uzun süre buz tutmadan nasıl korunabileceği sorusu aklıma geldi.

Önce buzun ne ile çözündürüldüğünü araştırdım. Gördüm ki buz çözücü olarak ülkemizde ve dünyada tuzlar kullanılmaktadır. Tuz olarak da NaCl, MgCl2, CaCl2 ile üre ve alkol kullanılmaktadır.Bugün ülkemizde buz çözücü olarak 1930 `lardan beri NaCl ve CaCl2kullanılmaktadır.Kullanılan bu tuzlar doğal dengeyi bozduğu gibi asfalt üzerinde de çözücü, eritici, çatlatıcı ve yıkılmayıcı etkiye sahiptirler.

Buz çözücü olarak kullanılan tuzlar içlerine silis kum katılarak kullanıldığından bu kum bir taraftan asfaltı zedelemekte, öte yandan araçların sürtünme kuvvetini azaltmaktadır. Çok ciddi düzeyde korozyona neden olmaktadır. Tuzun uygulama zorluğu nedeniyle tuz suda çözündürülerek asfalt ve hava limanlarına atılmaktadır. Bu sıvı eriyik de su ile aynı sonucu vermekte ve derişimi azaldığı için asfalt aralıklarında, çatlaklarda donarak genleşmeye dolayısıyla asfaltın bozulmasına neden olmaktadır. Bu zararlı etkilerinin yanı sıra kar ve yağmur sularıyla sürüklenen tuz, toprakta çölleşmeye, bitkilerin kurumasına, nehir, dere, ırmaklarda, tuzlanmadan dolayı balık ve flora ölümlerine neden olmaktadır. Asfalt kenarlarında ve otoyol etraflarında zararlı otomobil gazlarını emerek ağaçlandırmayı engellemektedir. Toprakta su geçirgenliğini engellemektedir. Araçların otoyol ve havalimanlarının etrafındaki metal aksamları bozulmasına erken yıpranmasına neden olmaktadır.

Kış mücadelesinde kullanılan tuzların eriyik haldeki donma dereceleri çok düşük olup sadece -7 derecedir. -7 derecenin üstünde herhangi bir etkileri mevcut değildir .Kar ve buzla mücadelede tuz kullanımı tuzun delici ve eritici etkisinden yararlanma prensibine dayanır. Ülkemizde batı bölgelerinde ve Akdeniz’de -7 derecelik sınır iyi bir limit olmakla beraber coğrafyamızın %80’i -7 derecenin üzerine çıktığı için tuzun elverişliliği çok çok sınırlı ve anidir. Buna karşın tabiata verdiği Zararlar ile korozif etkisi ile bu amaç nerede ise gölgelenmektedir .

Örnek Distile su NaCl CaCl2 Üre

Demir aksamlar 0 100 ?90 ? >80

Alüminyum ve alaşımları 0 100 ?85 ?>77

0 100 ?85 ?>65

*Distile su referans olmak üzere mukayeseli değerlerdir.

BUZ ÇÖZÜCÜ NASIL OLMALIDIR İYİ BİR BUZ ÇÖZÜCÜNÜN ÖZELLİKLERİ NELERDİR?

Buz çözücüler yukarıda bahsettiğimiz zararların dışında buz üzerinde de aşağıdaki özelliklerde olması gerekir. Tüm dünyada bu kriterler ortak olup A.S.T.M (American Society For testing And Materials ) tarafından konulan normlar ortak kabul edilmektedir.

1-Kimyasal Maddenin Buzu Çözme ve eritme kapasitesi (Çözme)

2-Kimyasalın buzu üstten alta doğru eritme-delme kapasitesi (Delme)

3-Kimyasalın buzu yerden kaldırma kapasitesi (Sökme-kaldırma)

A.S.T.M 1898 `de Amerika’da kurulmuş yaklaşık 130 ülke tarafından endüstriyel kriterleri kabul edilen 40 000 civarında teknik uzmanın içinde yer aldığı bir organizasyondur.Endüstri temsilcilerinin tüketici üretici üniversiteler ile araştırma kuruluşlarının destek verdiği bir oluşumdur.Buz Çözücülere ilişkin 40’ın üzerinde ülkeyle yapılan ortak çalışmalar sonucu AMS 1435A İsimli standart ve yöntemler oluşturmuştur.Buz çözücülerin bu standarda göre performansları yukarıdaki 3 madde dışında

a-Korozyon

b-Kayganlık

c-Çevresel Etkiler

d-Derişim ve kalıcılık

Olmak üzere sınıflandırılırlar .

Bu işlerin öncüsü A.B.D de bu konuya ilişkin S.H.R.P (Strategic Highway Research Program Report ) adlı stratejik oto yol araştırma programı oluşturulmuştur. Bu program eyalet oto yol denetçileri, üniversiteler, sanayi temsilcileri, bağımsız araştırıcılardan teşekkül ettirilmektedir.Ulusal araştırma konseyine bağlı olan bu birim ABD?de havalimanları ve otoyolların performans,güvenlik ve etkinliğini ortak bir karara bağlar. Yol yapımı, hava limanı yapımı, kaldırım asfaltlama da olduğu gibi buz çözücüler üzerinde de çalışmaktadır. Bu konudaki en spesifik nokta QUEBEC’de ki AMİL Laboratuarları tarafından SHRP ve ASTM `ye göre buz çözme, delme, yapışmış buzu yerden kaldırma, kalıcılık ve çevresel etkileri üzerinde özgün araştırmalar yapmakta ve raporlar yazmaktadır. ABD ,Kanada, Japonya v.b gelişmiş ülkelerde bu yöntem ve metotlar kullanıla gelmektedir.

BUZ ÇÖZÜCÜLERİN ULUSLAR ARASI NORMLARA GÖRE ÖZELLİKLERİ

Buz çözücüler aşağıdaki Uluslara Arası kriterlere göre değerlendirilirler. Bu kriterler -7°C İLE -18°C arasında birimi ml olmak üzere yapılırlar.

Standart 1: SHRP-H-205.2: Bu standart sıcaklık zamana bağlı olarak buz çözme kapasitesini belirler. Saptanma değeri belirtilen sıcaklık aralıklarında 1ml buzun 1ml buz çözücü ile dakika cinsinden zaman içerisinde çözme performansını belirler.

Standart 2: SHRP-H -205.4.:Bu standart oluşmuş buzun birim zamanda aynı sıcaklık aralıklarında dikey olarak yer çekim kuvvetine paralel delme-perfore etme-özelliğini belirler.Belirtilen ısı aralıklarında 1ml çözücü ile 1mm perforasyonun kaç dakikada olacağını belirler.Bu kriter sürtünmenin arttırılması için hayatidir.

Standart 3: SHRP-H -205.6:Bu kriterin buzun oluştuğu zemine yapışmasının ayrışmasında kullanılır. Buz çözücü buz ile zemin arasına girerek penetre olarak buzu alttan kaldırır ve mekanik etkilerle uzaklaştırılır. Burada penetrasyon gücü -18°C 1ml buz çözücünün 4mm buzu kaldırma performansı değerini verir.

Buz çözücüler tüm dünyada bu kriterlere göre birbirleriyle kıyaslanırlar.

BUZ ÇÖZÜCÜ KİMYASALLARDA ARANAN ÖZELLİKLER

1-Buz çözücülerin performansları kadar korozif özellikleri de önemlidir.Bu karbon çeliği ve alüminyum alaşımlar üzerinde yapılır. Her hangi bir zarar vermemesi beton gibi yapı malzemelerini de kaldırmaması önemlidir.

2-Buz çözücülerin çevreye zararlı olmaması gerekir. Bu biyolojik flora ve sucul fauna üzerinde zararlı bir etkisinin olmaması gerekir.Burada önemli kriter tatlı su balıkları deneyleri,subakut toksisite deneyleri ve ağır metal ile PCB grubu ve benzeri kimyasal kanserojenler ve zararlıları içermemelerdir.

3-Buz çözücüler sürtünme kaybı oluşturmamalıdır. Bu özellik CaCl2 ve silis gibi mekanik ve yağ benzeri kayganlaştırıcı etkilerden uzak olmalıdır.

4-Buz çözücüler konsantrasyonları düştüğünde bile asfaltta buzlanmaya neden olmamalıdırlar.

5-Donma noktası buz çözücülerde mevsim ve iklime göre belirlenmiş donma noktasında olmalıdırlar.

6-Kalıcılık buz çözücüler belli bir zaman dilimi içinde aktivite edilmelidir.

YÖNTEM

Pratikte kullanılan bir buz çözücü olmakla beraber polimerize edilerek etkinliği ve kalıcılığı yükseltilmiş Mg Cl2 özel bir karışım haline getirilmiştir. Mg Cl2 önceden hazırlanmış ”Bilal23” süspansiyonu ile birleştirilerek 0°C, -8°C, -18°C, -36°C de donmadığı tespit edilmiştir. Asfalt zemin parçacıkları üzerleri değişik yüksekliklerde buz tutturularak 0°C, -8°C, -18°C, -36°C de uygulanarak zamana bağımlı test edilmiştir. ”Bilal23” ve MgCl2 den oluşan ”Ice Burner” bu zeminler üzerinde test edilmişdir. Ayrıca 5 cm yükseklikte üzerleri buz tutturularak oluşturulan asfalt plakaları eritme,dikine delme ve buzu asfalttan sökme kapasitesi aynı °C de test edilmiştir.

AMAÇLAR

Günümüzde Kullanılan buz çözücülerden en az zararlı olanı MgCl2tarafımızdan karbonhidrat ve proteinlerle adeta birleştirilerek daha uzun ömürlü -60 Dereceye Kadar Donmayan ve temel 3 özelliği en üst düzeyde barındıran polimerize bir yapı elde edilmeye çalışılmıştır .Aslında İyi Bir eritici olan MgCl2`nin eritme , dikine delme ve kaldırma kapasitesi arttırılarak ideal bir inovatif öncü ve temel bir çalışma hedeflenmiştir .MgCl2tarafımızdan ”Bilal23” özel karışımıyla polimerize edildiğinde çözme kapasitesinin arttığı , delme kapasitesinin yaklaşık 2 katına çıkarıldığı ve kaldırma kapasitesinin de maximize edildiği uzun ömürlü bir buz çözücü elde ettik .Elde ettiğimiz buz çözücü Ph’ı 6-7 Arasında yanıcı parlayıcı olmayan bu buz çözücü özel karışımında tamamen doğal olmasından dolayı tabiata ve çevreye herhangi bir olumsuz etkisi mümkün görülmemektedir .Uluslar arası akredite laboratuarlarda yapılan çalışmalar göstermiştir ki MgCl2 polimerize edildiğinde doğal flora ve faunaya etkisi yok denecek kadar azdır .Buz çözücümüzde MgCl2 oranı sadece %33’tür .

Böylece kar ve buzdan dolayı ülkemizde meydana gelen yaklaşık 200.000 kaza /yıl `dan fazla meydana gelen kazalardaki yaklaşık beş milyar TL maddi zarar ile 1000’in üzerinde ölüm ve 5000 adet civarında olan yaralanmaların önüne geçilebilecektir .

PROJE BÜTÇESİ:

MgCl2ucuz yollu bir tuz olup Sirkeci’den kimyasal satıcılardan temin edilmiştir.250L/25Kg

”Bilal23” karışımı içerisindeki protein ve karbonhidrat kullanılmış malzemelerden elde edildiğinden ücret ödenmemiştir.

”Bilal23” bileşimi içinde ki özel iki kimyasalın birincisi 100Lt/100 L,ikincisi ise çok az miktarda kullanılmış olup 1Lt/20L dır.

Yukarıda ki verilerle elde ettiğimiz ”Ice Burner” ın litre maliyeti ortalama olarak 0,70-0.90 L arasıdır.

ÇALIŞMA TAKVİMİ

24 Eylül 2012-Hangi konuda proje üretmek istediğime karar verdim.

05 Ekim 2012-Proje konum olan buz çözücülerle ilgili literatür taraması çalışmalarına başladım.

17 Ekim 2012-Literatür çalışmaları sonuçlarına uygun bir çalışma düzeni oluşturdum.

23 Ekim 2012-Projemle ilgili bazı kurumları gezerek bilgi edindim.

19 Kasım 2012-Projemin laboratuar çalışmaları ile ilgili materyallerin temininin sağlanması.

25 Kasım 2012-Özel bir laboratuar ortamında çalışmalarımıza başladık.

19 Aralık 2012-Ocak ayının 15 `ine kadar zaman zaman laboratuarda deneYler yaptık.

20 Ocak 2013-Projemizin raporunu hazırlama çalışmaları başladı.

SONUÇLAR:

Buz çözücü olarak geliştirdiğimiz sıvı sürtünme kat sayısını düşürmeden -50°C’ye kadar kullanılabilir.Yaptığımız çalışmada -8 derecede 72 saat -18 derecede 12-16 saat %10 derişimde bile donmadığı dolayısıyla etkin olduğu gözlemlendi.Sıvı olarak pulverizasyon tarzında uygulanabilirliği buzlanma öncesi,sırası ve sonrasında kullanımının etkin olacağı görülmektedir.Bu proje örnek bir innovatif ön çalışma olarak hazırlanmış olup, geliştirilmesi olasıdır.Ülkemiz şartlarında tüm tuzların -7 dereceden sonra inaktif olduğu ve sulandığında donarak bir çok zarara neden olduğu göz önünde bulundurulursa bu alanda ideal bir projedir. Yapılan literatür çalışmalarında şimdiye kadar bir tuzun moleküler düzeyde polimerize edilerek etkinliğinin bu şekilde arttırılmadığı görülmüştür. Bu anlamda proje özgün ve bir ilktir.

Yaptığımız deneyler SHRP normları esas alınarak 5, 15 ve 60 dakikalardaki buzu çözme, buzu dik delme ve buzu kaldırma kapasitesi deneylere yerleştirilen milimetrik ölçütler ile ve işlem sonrası da cetvel marifetiyle ölçülerek hesaplanıp aritmetik ortalamaları alınmıştır.

MADDE Çözelti (%) Çözme miktarı

NaCl2 %26 çözelti 14.5 g(Buz)

CaCl2 %30 çözelti 13 g(Buz)

MgCl2 %15 çözelti 32 g(Buz)

İce burner – 62(±6)g(Buz)

-7 derecede İceburner etkinliği

T(m) Buzu zeminden ayırma (mm)

5 4.6

15 5.0±

60 5.0

T:Time ,m:minute

-18°C derecede İceburner etkinliği

T(m) Buzu zeminden ayırma (mm)

5 3.7

15 4.1

60 4.6

T:Time ,m:minute

Deneme testleri:

Testler, SHRP H-205.6 Sıvı Buz Çözme Kimyasalları İle Buzu Alttan Kesme standard test metoduna göre yürütülmüştür

-Kazaları ve can kaybının önlenmesinde,

-Yolların daha hızlı ve kolay temizlenmesinde,

-İşçilik maliyetlerinin ve geleneksel kimyasalların kullanımının düşürülmesinde,

-Korozyonun önlenmesinde ,

-Yollarda düşük bakım maliyeti oluşmasında,

-Yalnızca otoyol veya karayolları için değil havaalanları, yürüyüş yolları, kaldırımlar, parklar, otoparklar, alışveriş merkezleri, hastaneler, fabrika alanları, benzin istasyonları, siteler, stadyumlar ve bahçelerde uygulanmasında

Çok etkili sonuçlar alınacaktır.

KAYNAKÇA

1. R. Bacon, Michigan Department of Transportation, personal communication, June 27,1990, inJ. E. Gales and J. VanderMeulen, Deicing Chemical Use on the Michigan State Highway System (19%) in F. M. D?ki, ed., Deicing Chemicals and the Environment (1992).

2. Transportation Research Board, Highway Deicing: Comparing Salt and Calcium Mugnesinm Acetate, Special Report 235 (1991).

3. J. H. Defoe, Evaluation of Calcium Magnesium Acetate us an Ice Control Agent, Michigan Department of Transportation, Testing and Research Division (1984).

4. Transportation Research Board, Highway Deicing.

5. D. G. Manning and L. W. Crowder, A Comparative Field Study of Calcium Magnesium Acetate and Rock Salt During the Winter of 198637, Ontario Ministry of Transportation and Communications, Research and Development Branch (Downsview, Ont.. September 1987); J. L. Gidley, Technical Report: A Summary of CMA Use and Research Development, Specifically in California, California Department of Transportation, Division of New Technology and Research (July 1989).

6. Transportation Research Board, Highway Deicing (1991).

7. Resource Concepts, Inc., Survey of Alternative Road Deicers, prepared for Nevada Department ofTransportation and California Department of Transportation (1992).

8. R. Kinney et al., Tusk Force Report on Reducing Salt Usage on State Trunklines in Michigan. Michigan Department of Transportation Task Force (September 1986).

9. S. Dembicky, Michigan Department of Transportation, Maintenance Division, personal communication, March 1993.

10. Transportation Research Board, Deicing Chemicals and Snow Control, Transportation Research Record 1157 (1988).

11. D. T. Ireland. Ne\v Salt Bused Highwuy Deicers with Improved Anti-Corrosive Properties (1992)

12.Aircraft De-Icing Fluidsat O t t a w a InternationalAirport, Professional andTechnical Services documentTP8483E, AK-7509- 168 (1987).

13. S. A. Dunn and R. U. Schenk, Alrernate Highway Deicing Chemicals, Federal Highway Administration, Offices of Research and Development (March 1980).

14.Devikarani M. Ramakrishna,Thiruvenkatachari Viraraghavan, Environmental Impact of Chemical Deicers ? A Review

15.Pierre Yves RobidouxEcotoxicological Evaluation of Three Deicers, Département des Génie Civil, Géologiques et des Mines, École Polytechnique, 2900 Édouart-Montpetit, Montréal, Québec, H3C 3A7, Canada

16. Dougherty, Christopher K.; Smith, Geoffrey ,R., Acute effects of road de-icers on the tadpoles of three anurans

17.Toma? Kramberger, Janez ?erovnik,A contribution to environmentally friendly winter road maintenance: Optimizing road de-icing, Transport and Environment, 2008

18.Ken W.F Howard, Paul J Beck, Hydrogeochemical implications of groundwater contamination by road de-icing chemicals, ournal of Contaminant Hydrology, Volume 12, Issue 3, March 1993,

18.http://www.fhwa.dot.gov/

19.http://www.trb.org/StrategicHighwayResearchProgram2SHRP2/Blank2.aspx

20. http://www.contego.us/

Altınyıldız Ortaokulu
29 Ekim cad. Merkez mh. Köknar sokak:1 y.bosna B.Evler İSTANBUL
FİZİK – ICE BURNER
RÜHAT BILAL BILICI
MEHMET TUĞHAN ÖZDABAK

Fen Projesi / Matematik Projesi
Bu Benim Eserim Fen Bilimleri ve Matematik Projeleri Yarışması
Bilim Şenliği Projeleri