Effects of using different polymers in post-synthesis treatments of zeolite 4a coatings
Zeolit 4a kaplamalarına uygulanan sentez sonrası işlemde farklı polimerler kullanımının etkileri
- Tez No: 517462
- Danışmanlar: PROF. DR. MELKON TATLIER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 77
Özet
Zeolitler, kataliz, adsorpsiyon/ayırma ve iyon-değişimi gibi çeşitli uygulamalarda kullanılabilen kristalin mikrogözenekli alüminosilikatlardır. Isıtma ve soğutma eldesinde kullanılabilen adsorpsiyon ısı pompalarının çevre dostu olmak ve güneş enerjisi ile atık ısı gibi ısı kaynaklarından faydalanmak gibi avantajları mevcuttur. Zeolitler, yüksek su adsorpsiyon kapasitelerinin yanı sıra uygun adsorpsiyon izoterm tiplerine de sahip olduklarından adsorpsiyon ısı pompası uygulamalarında önemli bir yere sahiptir. Zeolitlerin metal altlıklar üzerinde kaplama olarak hazırlanması ile bu cihazların performanslarında dikkat çeken bir gelişme elde edilmiştir. Metal yüzeyler üzerinde doğrudan kristallenen zeolit kaplamaları, ısı ve kütle transfer sınırlamalarını büyük ölçüde ortadan kaldırabilmektedir. Isı değiştiricinin metal yüzeyi ile zeolit arasındaki iyi temas, ara yüzeydeki ısı transferi kalitesini artırabilirken, kütle iletimi ile ilgili kısıtlamalar ise kaplamanın kalınlığı istenilen miktarda ayarlanarak giderilebilir. Metal yüzeyleri üzerinde oldukça kalın zeolit kaplamaları hazırlanabilmiştir. Kaplamanın açık veya kompakt yapıda olması gibi özellikleri de ısı pompalarının performanslarını etkilemektedir. Nispeten yüksek difüzyon katsayıları için kalın zeolit kaplamalarının kompakt yapıda olmaması gereklidir. Ayrıca, kaplamaların mekanik ve ısıl stabiliteleri, bu malzemelerin ticari adsorpsiyon pompalarında başarıyla kullanılabilmeleri için en kritik noktalardan biridir. Zeolit kaplamaları değişik yöntemler kullanılarak hazırlanabilir. Nispeten kalın ve açık yapıdaki kaplamalar özellikle doğrudan ısıtma yöntemi kullanılarak elde edilebilir. Bu sentez yönteminde, metal destek bir ısıtıcı rezistans tarafından doğrudan ısıtılırken, rekasiyon çözeltisi bir su banyosu yardımıyla daha düşük bir sıcaklıkta tutulmaktadır. Bu şekilde, çözeltideki reaksiyon büyük ölçüde engellenirken metal destek üzerindeki reaksiyon desteklenmektedir. Daha önceki çalışmalarda, doğrudan ısıtma yöntemi kullanıldığında, oldukça kalın, açık ve stabil zeolit A ve X kaplamalarının paslanmaz çelik yüzeylerinde hazırlanabildiği gözlenmişti. Ancak, zeolit kaplamalarının ek bir poliakrilik asit tabakası ile de kaplanmasının kaplamaların uzun vadeli mekanik ve ısıl stabilitelerini artırarak ticarileşmelerini sağlayabileceği belirtilmiştir. Bu çalışmanın amacı, zeolit 4A kaplamalarını polivinil asetat, polivinil alkol ve selüloz asetat gibi polimerler ile de kaplayarak kaplamaların stabilitelerini arttırmak ve değişik polimerlerin bu amaç için yaptığı etkiyi incelemektir. Doğrudan ısıtma ve geleneksel sentez yöntemleriyle elde edilen malzemeler, termogravimetrik analiz (TGA), X-ışını kırınımı (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) gibi çeşitli yöntemlerle karakterize edilmiş ve hızlı ısıtma-soğutma ile ultrasonik banyo işlemleri uygulanarak sırasıyla ısıl ve mekanik stabiliteleri tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, daha önce benzer bir amaçla poliakrilik asit polimeri ile kaplanan zeolit kaplamaları için elde edilen sonuçlarla da karşılaştırılmıştır. Değişik şartlar kullanılarak hazırlanan polimer ile kaplı zeolit kaplamaları oldukça farklı desorpsiyon özellikleri göstermiştir. Doğrudan ısıtma yöntemi ile hazırlanan açık yapıdaki zeolit kaplamaları polimer ile kaplandığında, saf zeolit 4A kaplamalarına kıyasla nispeten yüksek miktarlarda su desorplamıştır. Saf polimerlerden desorplanan su miktarı ise her durumda saf zeolit A'dan daha düşük olduğundan bu durum kompozit kaplamalar için nispeten düşük teorik desorpsiyon değerleri göstermektedir. Selülüz asetat polimeri ile kaplanan numune ise su desorpsiyonu açısından en iyi performansı göstermiştir. Kompozit numunedeki polimer miktarı/kalınlığı arttıkça, polimer kaplamasının desorpsiyon üzerinde yarattığı olumlu etki önemini kaybetmeye başlamıştır. Bu durum, söz konusu numunelerdeki zeolit ile polimer arasındaki temas yüzeyinin polimer miktarı kadar artmamasından kaynaklanmış olabilir. Buna karşılık, geleneksel tekrarlı sentez yöntemi kullanılarak hazırlanan daha kompakt zeolit kaplamaları için daha farklı sonuçlar elde edilmiştir. Bu numuneler için, teorik hesaplamalara uygun olarak, polimer kaplı zeolit kaplamaları saf zeolit A kaplamalarına kıyasla daha az miktarlarda su desorplamıştır. Açık yapıdaki zeolit kaplamalarında, polimerin zeolit tabakası içinde daha derine nüfuz edebilmesinden dolayı, kompakt kaplamalarda nispeten düşük zeolit-polimer etkileşimi mevcut olduğu düşünülmektedir. Kaplama stabilitesi, hem doğrudan ısıtma hem de geleneksel tekrarlı sentez yöntemleri ile hazırlanan zeolit kaplamaları ek bir polimer tabakası ile de kaplandığında artmıştır. Zeolit 4A ve polimer ile kaplı plakalara uygulanan ardışık ultrasonik işlemler ve hızlı ısıtma-soğutma çevrimleri sonucunda, kullanılan polivinil asetat, polivinil alkol ve selüloz asetat polimerlerinin zeolit kaplamalarının stabilitelerini geliştirdiği gözlenmiştir. En yüksek madde kaybı polivinil asetat polimerinin kullanıldığı durum için elde edilmiş olmakla birlikte, genel olarak, kompozit kaplamalardan ihmal edilebilecek miktarda madde kaybı olduğu anlaşılmıştır. Bu çalışmada incelenen polimerler arasında polivinil asetatın en düşük camsı geçiş sıcaklığına sahip olduğu düşünülürse, bu parametrenin de kompozit kaplamaların stabiliteleri üzerinde bir etkisi olduğu düşünülebilir. Daha önceki çalışmalarda, zeolit 4A kaplamalarının poliakrilik asit polimeri ile kaplandığında da kaplama stabilitesinin geliştiği ve desorpsiyon kapasitesinin doğrudan ısıtma yöntemi ile hazırlanan zeolit kaplamaları için %24'e kadar arttığı gözlenmişti. Bu çalışmada, selüloz asetat, doğrudan ısıtma yöntemi ile hazırlanan zeolit 4A kaplamalarının desorpsiyon kapasitelerinde en yüksek artışı sağlamıştır. Söz konusu artış, %12 ile sınırlı olsa da bu durum farklı çalışmalarda elde edilen zeolit kaplamalarının kalınlıkları arasındaki farklardan da kaynaklanmış olabilir. Elde edilen sonuçlara göre, doğrudan ısıtma sentez yöntemi kullanılarak hazırlanan açık yapıdaki zeolit kaplamalarının hangi polimer tipi ve miktarı ile kaplandığı, kompozit kaplamaların su desorpsiyonu özelliklerini etkilemiştir. Kompozit kaplamaların stabiliteleri, zeolit kaplamalarının açık veya kompakt yapıda olması, polimer ve zeolit arasındaki etkileşimler, suyun bu malzemeler içindeki difüzyon katsayıları, adsorpsiyon/desorpsiyon kapasitelerindeki değişiklikler ve polimer tabakasının kalınlığı da adsorpsiyon ısı pompaları ve diğer uygulamalarda kullanıma uygun polimer-zeolit kompozit kaplamalarının hazırlanması için göz önüne alınmalıdır.
Özet (Çeviri)
Zeolites are crystalline microporous aluminosilicates which may be used in diverse applications related to catalysis, adsorption/separation and ion exchange. Adsorption heat pumps may provide heating and cooling effects and possess some advantages, such as being environmentally friendly and employing solar energy or waste heat sources. Zeolites are very suitable for adsorption heat pump applications, owing to their high water adsorption capacities as well as their suitable shapes of adsorption isotherms. Significant advances have been obtained in the performances of adsorption heat pumps by the commencement of using zeolite coatings on metal substrates. Zeolite coatings directly crystallized on metal surfaces may reduce the heat and mass transfer limitations to a great extent. The good contact between the metal surface of the heat exchanger and the zeolite may improve the quality of heat transfer across the interface, and the mass transfer limitations may be eliminated by adjusting the coating thickness. Quite thick layers of zeolite on metal surfaces have already been obtained. The nature of the coating also has an important effect on the performance of the heat pump system. The thick zeolite coatings should not be compact for obtaining relatively high diffusion coefficients. Another critical point for providing the commercial use of zeolite coatings in adsorption heat pumps is related to their mechanical and thermal stabilities. Zeolite coatings may be prepared by using various methods. Relatively thick and open coatings may be obtained especially by using the substrate heating method. In this method, a resistance directly heats the metal support in the reaction mixture and a water bath keeps the reaction mixture at a lower temperature. In this manner, the reaction in the bulk is suppressed while that on the metal support is promoted. In previous studies, it was observed that the substrate heating method might allow the preparation of quite thick zeolite A and X coatings with open and stable nature on stainless steel surfaces. However, covering the zeolite coatings further with a thin polyacrylic acid layer was also proposed in order to enhance the long-term mechanical and thermal stabilities of the coatings for allowing their use in commercial applications. The purpose of this study was to increase the stabilities of zeolite 4A coatings by coating them further with different polymers such as, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol and cellulose acetate and to investigate the effects created by the different polymers used. Materials prepared by substrate heating and conventional synthesis methods were characterized by thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) while their thermal and mechanical stabilities were determined by applying rapid heating-cooling cycles and ultrasonic treatments, respectively. The results were also compared to previous results obtained when polyacrylic acid polymer was used for covering zeolite coatings with the same purpose. According to the results obtained, it was observed that the polymer-coated zeolite samples prepared under various conditions exhibited quite different desorption behaviors. When the open zeolite coatings prepared by using the substrate heating method were covered by polymer, they desorbed somewhat higher amounts of water, when compared to the pure zeolite 4A coatings. The amounts of water desorbed from all the pure polymers investigated were much less than those desorbed from pure zeolite A, which signified lower theoretical desorption values for the composite coatings. The sample using cellulose actetate performed best regarding water desorption. The favorable effect started to lose its significance as the amount/thickness of polymer increased in the composite sample. This may be related to the contact area between zeolite and polymer not increasing as much as the polymer mass in the sample for these samples. On the other hand, different results were obtained for the more compact zeolite coatings prepared by repeated conventional syntheses. In these cases, the polymer-covered coatings desorbed less amount of water when compared to the pure zeolite A coatings, as also expected from the theoretical calculations. This seemed to originate from the lower amount of interaction between zeolite and polymer in the compact coatings, when compared to the open coatings, in which the polymer could penetrate more deeper into the zeolite layer. The stabilities were improved when the zeolite coatings prepared by using both the substrate heating and repeated conventional syntheses methods were covered by the additional polymer layer. As a result of the consecutive ultrasonic treatments and rapid heating-cooling cycles applied, it was observed that the use of the polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol and cellulose acetate polymers all enhanced the stabilities of the zeolite 4A coatings. The highest mass loss was observed for the use of polyvinyl acetate, but, in general, negligible amounts of decrease took place in the mass of the composite coatings. The glass transition temperature, which is lowest for polyvinyl acetate among the polymers investigated in this study, might have played some role in the stabilities of the composite coatings. It was previously determined that using polyacrylic acid for covering zeolite 4A coatings also improved the coating stability while the desorption capacity increased by up to 24% for the coatings prepared by using the substrate heating method. In this study, cellulose acetate provided the highest amount of increase in the desorption capacity of zeolite 4A coatings prepared by using the substrate heating method. The increase was limited to about 12% but this may also be related to the differences in the thicknesses of the zeolite coatings obtained in different studies. It may be concluded that the polymer types and contents used to cover the open zeolite coatings prepared by using the substrate heating method affected the water desorption properties of the zeolite-polymer composite coatings. The stabilities of the composite samples, the natures of the zeolite coatings, the interactions between polymer and zeolite, the diffusion coefficients of water in these materials, the changes occurring in the adsorption/desorption capacities and the thickness of the polymer should also be taken into account for the preparation of polymer-zeolite composite coatings suitable for adsorption heat pumps and other applications.
Benzer Tezler
- Çeşitli adsorbanlar ile hümik bileşiklerinin adsorbsiyonu üzerine bir çalışma
Başlık çevirisi yok
SELMA KAYA
- Rational design and applications of advanced functional polymer gels
İleri fonksiyonel polimer jellerin rasyonel tasarımı ve uygulamaları
MERTCAN ER
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN
- 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
2023
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE ERDEM
- Membranlarla gaz ayırma
Gas separation by membranes
İSMAİL BÜLBÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. BİRGÜL TANTEKİN ERSOLMAZ
- Parkinson tedavisi için nöral farklılaşmış diş pulpası kök hücreleri-enjekte edilebilir polimer modeli: in-vitro çalışmalar
A model of neural differentiated dental pulp stem cells-injectable polymer gel for treatment of parkinson's disease: In-vitro studies
MERVE ÇAPKIN YURTSEVER
Doktora
Türkçe
2016
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MENEMŞE GÜMÜŞDERELİOĞLU