Geri Dön

Preparation of stable zeolite coatings for use in adsorption heat pumps

Adsorpsiyon ısı pompalarında kullanılabilecek stabil zeolit kaplamaların hazırlanması

PDF İndir

  1. Tez No: 323951
  2. Yazar: AYLİN ATAKAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MELKON TATLIER
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 80

Özet

1900'lü yıllardan beri, doğal zeolitlerin üstün niteliklerinin keşfi ve sentez teknikleri hususunda elde edilen gelişmeler, bilim dünyasını zeolitlerin olası kullanım alanları ile ilgili aydınlatmıştır. Yüksek su adsorpsiyon-desorpsiyon kapasitesinin yanısıra, uygun adsorpsiyon izotermleri, bu malzemelerin, yenilenebilir enerji kaynakları ile ilgili çeşitli uygulamalardan biri olan adsorpsiyon ısı pompaları için umut vaadedici materyaller olduğu anlaşılmıştır. Zeolitlerin metal plakalar üzerine kaplama olarak hazıranması, bu cihazların olası gelişim sürecinde dikkat çeken bir nokta olmuştur. Zeolit kaplamalar, yalnızca, adsorpsiyon ısı pompalarında ısı ve kütle iletim sınırlamalarını ortadan kaldırmakla kalmamakta, aynı zamanda kullanıcı ve çevre dostu olarak suyun adsorbat olarak kullanımına imkan vermekte ve atık ısı veya güneş enerjisi kullanımına olanak sağlamaktadır.Zeolit kaplaması hazırlanması konusundaki araştırmalar sürerken, kaplanan zeolitlerin stabilitelerinin adsorpsiyon ısı pompalarında uzun süreli kullanım için geliştirilmesi gerektiği tespit edilmiştir.Bu çalışmada öncelikle paslanmaz çelik plakalar üzerine zeolit 4A ve zeolit 13X kaplamalar substrat ısıtma yöntemi ile hidrotermal sentez yolu kullanılarak sentezlenmiştir. Zeolit sentezinde sodyum silikat solüsyonu, granüler sodyum alüminat, NaOH pelletleri ve deiyonize su kullanılmıştır. Reaksiyon çözeltisi bileşimi olarak zeolit 4A sentezi için 50 Na2O : Al2O3 : 5 SiO2 : 1000 H2O, zeolit 13X sentezi için ise 71.06 Na2O : Al2O3 : 26 SiO2 : 2132 H2O kullanılmıştır.Kullanılan paslanmaz çelik plakalar 1x1 cm2 boyutunda ve 0.5 mm kalınlığındadır. Substrat ısıtma yönteminde, paslanmaz çelik plakalar belli bir sıcaklığa kadar ısıtılırken, reaksiyon çözeltisinin sıcaklığının 25?C sıcaklıkta kalması amaçlanmıştır. Bu sebep ile özel bir deney düzeneği kullanılmış, paslanmaz çelik plakalar doğrudan ısıtılırken, reaksiyon çözeltisi, su banyosu kullanılarak sürekli bir şekilde soğutulmuştur. Bu yöntemde amaç kristalizasyonun doğrudan substrat üzerinde gerçekleşmesi ve reaksiyon çözeltisi içinde herhangi bir kristal oluşumuna rastlanmak istenmemesidir. Zeolit 4A kaplamaları için paslanmaz çelik plakalar 57?C, zeolit 13X için ise paslanmaz çelik plakalar 58?C olacak şekilde ısıtma sağlanmıştır. Elde edilen zeolitler X-ışını kırınımı (XRD) yöntemi ile karakterize edilerek literatür verileri ile karşılaştırmalı olarak elde edilen zeolit kaplama tiplerinin 4A ve 13X olduğu kesinleştirilmiştir.Zeolit 4A kaplamaları 18, 24 ve 48 saatlik sentez süreleri, zeolit 13X kaplamaları ise 48 ve 72 saatlik sentez süreleri sonucu elde edilmiştir. Bu şekilde 5 çeşit kaplama elde edilmiş olup, her kaplamadan ikişer adet sentezlenerek örnek sayısı 10'a çıkarılmıştır. İkişer adet sentezlenen her numune örneğinden birinin polimer ile kaplanması amaçlanmıştır. Bu örnekler haricinde ayrıca, daha sonra anlatılacak olan polimer çözelti yüzdesi tespiti için, 24 saatlik sentez yapılarak 3 adet zeolit 4A kaplaması daha hazırlanmıştır.Zeolit kaplamaların üzerine kaplanacak poliakrilik asit film sentezi için çözelti polimerizasyonu yöntemi kullanılmıştır. Bunun için 2.11 g akrilik asit monomeri, başlatıcı olarak 0.0109 g benzoyl peroksit ve çözücü olarak ise 25 ml su kullanılmıştır. Başlatıcı kullanılarak monomerlerin serbest radikal vererek, polimer zinciri oluşturmaları amaçlanmıştır. Reaksiyon sıcaklığı 88?C civarına ayarlanmış olup, kontrol edici kullanılmıştır. Reaksiyon azot atmosferinde gerçekleştirilmiştir. Elde edilen polimer çözeltisi Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) yöntemi ile karakterize edilmiş olup, literatürden alınan bilgiler ve ticari poliakrilik asitlerin (Mw 450 000 ve 3 000 000) FTIR analiz sonuçları ile karşılaştırılarak poliakrilik asit oluşumu kesinleştirilmiştir.Poliakrilik asit sentez sonucu elde edilen % 5.4lük polimer çözeltisi aynı miktarda su ile 1 kez ve 2 kez seyreltilerek, sırasıyla polimer yüzdesi % 2.7 ve % 1.4 olmak üzere iki farklı çözelti daha hazırlanmıştır. Elde edilen 3 farklı polimer çözeltisi kullanılarak, aynı kalınlıkta olan ve aynı sentez süreleri sonucu hazırlanmış zeolit 4A kaplamalarının üzerine polimer filmi kaplanmış ve elde edilen malzemeler termogravimetrik analiz (TGA) yöntemi ile analiz edilmiştir. Termogravimetrik analiz sırasında sıcaklık ortam sıcaklığından 150?C'a 20?C/dakika'lık ısıtma hızı ile çıkarılmıştır. Ancak farklı yüzdede olan çözeltiler arasında termogravimetrik açıdan çok fazla bir fark gözlenmemiş olup, % 2.7lik polimer çözeltisi ortalama bir değere sahip olduğundan, zeolit kaplamaların üzerini kaplamak amacı ile kullanılması kararlaştırılmıştır.% 2.7lik hazırlanan polimer çözeltisi paslanmaz çelik plaka üzerinde kurutularak yüzey poliakrilik asit ile kaplanmış ve daha sonra termogravimetrik analize (20?C/dakikalık ısıtma hızı ile numune sıcaklığı ortam sıcaklığından 150?C'a çıkarılmıştır) tabi tutulmuştur. Sonuçta saf polimerin belirli termogravimetrik şartlarda % 12 oranında su kaybına uğradığı anlaşılmıştır. Aynı termogravimetrik şartlar çalışmanın devamında tüm numunelerin analizinde kullanılmıştır.Aynı şartlarda ikişer adet sentezlenmiş olan zeolit kaplamalardan birer adetini % 2.7lik polimer çözeltisi ile kaplamak amacı ile polimer çözeltisi bir petri kabına dökülmüş, ardından zeolit kaplı paslanmaz çelik plakalar tamamı ile bu çözeltiye daldırılmıştır. Bir dakika kadar zeolit kaplı plakalar sağa-sola oynatılarak polimer çözeltisi ile tamamen kaplanması sağlanmış, ardından çözeltiden çıkarılarak 2 saat oda şartlarında tutulmuş ve sonrasında 1 gün boyunca 50?C'lık etüvde kurutulmuştur.Çalışmalar boyunca tüm numuneler kurutulmalarının ardından kontrollü nem koşullarında (NH4Cl çözeltisi kullanılarak) oda sıcaklık ve basıncında saklanmıştır.Elde edilen beşer adet saf zeolit kaplamaları ve polimer-zeolit kaplamaları termogravimetrik analize tabi tutulmuştur. Her eşdeğer numune karşılaştırılmıştır ve aynı şartlarda sentezlenen biri saf-zeolit diğeri polimer-zeolit kaplamasının termogravimetrik analiz sonuçları arasındaki farklılıklar saptanmıştır. Buna göre termogravimetrik analiz sonucu (20?C/dakikalık ısıtma hızı ile numune sıcaklığı ortam sıcaklığından 150?C'a çıkarılmıştır), zeolit kaplamaların polimer ile kaplanması durumunda kaybettikleri (desorpladıkları) su yüzdesinin arttığı tespit edilmiştir. Saf zeolit kaplamalarının TGA analizi sonucu su kayıplarının minimum % 12.4 olduğu ve ortalama % 13-14 arası değiştiği gözlenmiştir. Ancak saf polimer filmin aynı şartlarda desorpsiyon miktarının % 12 olduğu hatırlatılmalıdır. Buna göre polimer kaplanmış zeolit kaplamalarının desorpsiyon miktarının artması beklenen bir durum değildir. Bu artışın sebebi olarak, daha evvel bir polimer-zeolit matriks membran çalışmasında zeolit tanecik büyüklüğünün geçirgenlik üzerindeki etkisini açıklamakta kullanılmış olan polimer-zeolit arasındaki arafaz oluşumu önerilebilir.Çalışmanın takip eden kısmında, numunelerin ardışık ultrasonik işlemler ve ısıtma-soğutma çevrimleri ile stabiliteleri tespit edilmiştir. Öncelikle 10.5 kHz, 21 kHz ve 35 kHz frekanslarda 3 adet ultrasonik işleme tabi tutulan numuneler ardından ısıtma-soğutma çevrimi olarak 150?C'a kadar aniden ısıtılıp, 1 dakika bu sıcaklıkta tutulduktan sonra yine kontrollü nem ortamında oda sıcaklığına düşmesi ve denge haline gelmesi için 1 gün bırakılmıştır. Bu işlemleri takiben, numuneler bir kez daha 35 kHz frekanslık ultrasonik işleme tabi tutulmuş ve ilk kaplama ağırlığı ile son kaplama ağırlığı karşılaştırılmıştır. Buna göre saf zeolit kaplamaları % 1.5-22.9 arası kütle kaybına uğrarken, polimer-zeolit kaplamalarının kütle kaybının % 0-3.9 arasında değiştiği gözlenmiştir. Her numune türü için (ikişer adet hazırlanan her numune tipi için), karşılaştırma yapıldığında, polimer filminin istisnasız her denenen durumda stabiliteyi arttırdığı ve kütle kaybını önemli ölçüde azalttığı tespit edilmiştir. Ayrıca termal çevrimlerin (hızlı ısıtma-soğutma koşullarının) çatlak da dahil olmak üzere herhangi bir fiziksel değişime yol açmadığı gözlenmiştir.Elde edilen numunelerden 24 saatlik sentez sonucu elde edilen saf-zeolit kaplama ile yine 24 saatlik sentez sonucu elde edilen polimer-zeolit kaplamanın termal iletkenlik ve termal difüziviteleri lazer flaş yöntemi ile (Xenon LFA 224 Nanoflash®) analiz edilmiştir. Buna göre polimer kaplamanın, toplam kaplamanın termal iletkenliğini arttırırken termal difüzivitesini azalttığı gözlenmiştir. Literatür karşılaştırmasında, poliakrilik asitin termal iletkenlik değerlerinin, polimer-zeolit kaplama iletkenliğini arttırmada etkili olabileceği anlaşılmış olup, polimer filmin zeolit kaplamanın termal difüzivitesini azaltması beklenmedik bir durum olarak ortaya çıkmıştır. Termal difüzivitedeki bu azalma, polimerin zeolit boşluklarını doldurması ve toplam kaplamanın yoğunluğunu arttırması ile açıklanmıştır.Sonuç olarak polimer filmin zeolit kaplamanın desorpsiyon performansını kötü etkilememek suretiyle (tam tersine arttırarak), ısıl-mekanik stabilitesini geliştirdiği bu çalışma ile gösterilmiştir. Aynı zamanda polimer filminin zeolit kaplama yüzeyine iyi bir şekilde tutunduğu ve zeolit yapısında bulunan mikrogözeneklerin fonksiyonunu etkilemediği gözlenmiştir. Polimer-zeolit kaplamaları, adsorpsiyon ısı pompası dışında diğer zeolit uygulamaları için de kullanılabilir. Farklı amaçlar için çeşitli zeolit, polimer ve substrat tipleri araştırılabilir.

Özet (Çeviri)

The discovery of the superior characteristics of natural zeolites and the advances achieved regarding the synthesis techniques since 1900s, enlightened the scientific community regarding the potential usages of zeolites. Besides their high water sorption capacity, with their suitable shape of adsorption isotherms zeolites are promising materials for adsorption heat pump applications which is one of the diverse applications of the renewable energy sources. Preparing zeolite coatings on metal plates, caused a significant possibility of progress in these devices. They do not only eliminate the heat and mass transfer limitations of the adsorption heat pumps, but they are also enviromental friendly by giving the opportunity to use water as an adsorbate.As the researches about synthesizing zeolite coatings are proceeding, the stabilities of the coated zeolites are determined to be insufficient for these materials to be regeneratively used in adsorption heat pumps. In this study the thermal and mechanical stabilities of the zeolite coatings were aimed to be enhanced by synthesizing another layer on the zeolite coating. As the top layer, a very hydrophilic thickening agent: polyacrylic acid was determined to be suitable. Polyacrylic acid was synthesized and applied onto the zeolite coating layer.The synthesized materials were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and thermogravimetrical analysis (TGA). The mechanical and thermal stabilities of the coatings were determined by consecutive ultrasonic treatments and heating-cooling cycles, respectively. According to the TGA results, it was observed that the desorption density of the amount of water desorbed from the coatings was enhanced to some degree by coating polymer on the zeolite layer. Also the ultrasonic treatments applied on the zeolite and polymer-zeolite coatings showed that the stabilities of the coatings were increased in appreciable ratios by coating the zeolite layers with polyacrylic acid films which were well-integrated with the zeolite crystals and metal surface.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    517462

    Effects of using different polymers in post-synthesis treatments of zeolite 4a coatings

    Zeolit 4a kaplamalarına uygulanan sentez sonrası işlemde farklı polimerler kullanımının etkileri

    ŞAFAK BORA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MELKON TATLIER

  2. Tez No

    398020

    Metal altlığın ısıtılması yöntemiyle zeolit kaplamaların hazırlanması

    Preparation of zeolite coatings by heating of metal substrate

    ELİS YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MELKON TATLIER

  3. Tez No

    676582

    Değişik iyon formlarında zeolit y kaplamalarının hazırlanması ve karakterizasyonu

    Preparation and characterization of zeolite y coatingsin different ionic forms

    GÜNCEL CENGİZHAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MELKON TATLIER

  4. Tez No

    397931

    Geniş metal destekler üzerinde zeolit kaplamalarının hazırlanması ve karakterizasyonu

    Preparation of zeolite coatings on large supports and their characterization

    TAYLAN MARAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE ERDEM

  5. Tez No

    828345

    Altlığın temassız ısıtılması yöntemi ile geniş yüzeylerde zeolit kaplamaların hazırlanması ve karakterizasyonu

    Preparation of zeolite coatings on large supports by non-contact heating and their characterization

    TAYLAN MARAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE ERDEM

Geri Dön