Solid-state synthesis of Li4SiO4 using different kind steel slags as SiO2 source
SiO2 kaynağı olarak farklı türde çelik curufları kullanarak Li4SiO4'ün katı hâl sentezi
- Tez No: 684153
- Danışmanlar: PROF. DR. ONURALP YÜCEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Son yıllarda fosil yakıtların çevreye ve sürdürülebilirliğe olan zararları, bilim ve sanayi dünyasını çevre dostu tedbirler almaya itmiş ve düşük maliyetli ve etkili karbon dioksit yakalama teknolojileri önemli bir araştırma konusu olmuştur. Şu anda, fosil yakıtlar, dünyanın enerji ihtiyacının önemli bir yüzdesini oluşturmakta ve küresel ısınmaya önemli bir etkisinin olduğu bilinen atmosferik karbondioksit (CO2)'de bir artışa neden olmaktadır. Fosil yakıtların önümüzdeki yıllar içinde de birincil enerji kaynağı olduğu kabul görmekte ve bilinmektedir. Sonuç olarak, sera etkisine karşı koymak ve etkisini azaltmak için en uygun yaklaşım, atmosfere salınmadan önce büyük ölçekli CO2 yakalama ve depolama için uygun maliyetli ve çevre dostu teknolojiler geliştirmektir. İnsan hayatı günümüzde kaynak çıkarma, üretme ve imha üzerine kurulmuştur. Bu durum aslında sınırlı ve sonu yakın olan kaynakları elverişsiz kullanmak ve har vurup harman savurmaktır. Döngüsel iktisat, bu bahsedilen üretim, kullanım ve imha döngüsüne geri dönüşümü eklemeyi esas alır. Kaynakların mümkün olduğu kadarıyla az tüketilmesi ve aynı zamanda atıkların azaltılması ana fikirdir. Bu yaklaşım,“al, yap, elden çıkar”üretim modeline sahip geleneksel ekonominin aksine. geri dönüşümü ve uzun süreli kullanımı teşvik eder. Karbon yakalama ve depolama için solvent kullanımı ile ilgili çalışmalar uzun süredir çalışılmaktadır. Absorpsiyon ve adsorpsiyon yöntemleri, çeşitli CO2 yakalama yöntemleri arasında en iyi bilinen ve en uygulanabilir tekniklerdir. Karbon yakalama sürecinde solvent seçimi ve tasarımı önemlidir. Sürecin performansı ve toplam maliyeti, solventin CO2'nin absorpsiyon kabiliyeti, ekipmanın boyutu gibi faktörler üzerindeki etkisinin bir sonucu olarak solventten doğrudan etkilenir. Lityum ortosilikat (Li4SiO4), yüksek yakalama kapasitesi ve termal kararlılığı nedeniyle karbondioksiti (CO2) yakalamak için elverişli bir malzeme olarak kabul edilmektedir. Bu malzeme ile yapılan çalışmalarda verimli sonuçlar alınmış, umut vadettiği kabul görmüştür. Lityum ortosilikatı benzeri silikat türevi malzemelerden farklı kılan özelliklerden en önemlileri yüksek yakalama kapasitesi, termal kararlılığı ve daha düşük maliyetli olmasıdır. Çalışmanın giriş kısmında, çelik üretimi esnasında ortaya yan ürün olarak çıkan curufların özelliklerinden de bahsedilmiştir. Buna ek olarak, Dünya'da artan çelik üretimi oranları verilmiş olup, ek olarak, Türkiye'nin çelik üretim endüstrisine de değinilmiştir. İri ve ince taneleri karışık formda içeren ve büyük ölçüde oksitlenmiş bileşenlerden oluşan yüksek fırın, bazik oksijen fırını ve elektrik ark fırını cürufları bu projenin giriş bölümünde belirtilen çelikhane cüruflarıdır. Bu çalışmada amaç, katı hâl yöntemiyle lityum ortosilikat sentezini optimize etmek ve atık kullanımı için curuflardan yararlanarak CO2 yakalama yüzdesini olabildiğince artırmak ve azami seviyeye çıkartmaktır. Bu çalışma, sentezlenen malzemenin CO2 yakalama verimliliğini artıran temel özelliklerinin değerlendirilmesini de içermektedir. Bu çalışmayı farklı kılan bir diğer özellik ise atıkların değerlendirilmesidir. Atık çelik curufları kullanılmış ve böylece atık olmaktan çıkıp, değerlendirilmiştir. Bahsedilen bu çelik curuflarının içerisinde bulunan değerli metaller ve oksitlerin kaybı minimuma indirilmeye çalışılmıştır. Lityum ortosilikat (Li4SiO4), homojen bir lityum karbonat (Li2CO3) ve silika (SiO2) karışımının 2:1 mol oranında reaksiyona girmesiyle sentezlenebilir. Bu çalışmada, lityum ortosilikatı sentezlemek için lityum karbonat ile birlikte yüksek fırın (YF), bazik oksijen fırını (BOF) ve elektrik ark fırını (EAF) curufları silika kaynağı olarak kullanılmıştır. Ayrıca, sonuçları curuf türevli numunelerle karşılaştırabilmek için lityum karbonat ile saf silikon dioksit de reaksiyona sokulup kullanılmıştır. Tozlar, reaksiyona sokulmadan önce homojen bir karışım elde etmek için turbula mikser ile otuz dakika karıştırılmıştır. Karıştırılmış tozların kül fırınında 5°C/dk rampa sıcaklığıyla (ısıtma hızı) 750-850-950°C sentez sıcaklıkları ve 4-10 saat arasında değişen tutma süreleri gibi işlem koşullarının etkisi incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Elde edilen tozlar, agat havan ile öğütülmüştür. Lityum ortosilikat, dilityum kalsiyum silikat ve kalsiyum okside dönüşüm oranları takip edilmiş ve optimize edilmiştir. Numuneler, HighScore Plus programı yardımıyla X-ışını kristalografisi analizi ile karakterize edilmiş ve Rietveld analizi yapılmıştır. Rietveld analizi ile hesaplanan dönüşüm oranlarına göre iyi sonuçlar vereceği düşünülen dokuz numune CO2 yakalama testine tabi tutulmuştur. İlk olarak bu numuneler 100°C'de N2 atmosferinde işleme tabi tutulmuş, daha sonra, 20°C/dk'lık bir artışla 600°C'ye kadar ısıtılmışlardır. Daha sonra yine N2 gazı altında 10 dakika süren bir işleme tabi tutulmuşlardır. Daha sonra numuneler %92 CO2 ve %8 N2 gaz karışımından oluşan bir atmosferde 600°C'de 2 saat bekletilmiştir. CO2 yakalama testlerinin sonuçları, atık kullanımı ve karbon yakalama ve depolama hedefine ulaşmak ve böylece CO2 emisyonlarını azaltmak için umut verici ve teşvik edici sonuçlar göstermiştir. Bu çalışmada, karşılaştırma için saf SiO2'ye ek olarak üç farklı çelik curufu silika kaynağı olarak kullanılarak lityum ortosilikat etkili bir şekilde sentezlendi. Tüm yüksek fırın curufu türevli numuneler daha iyi dönüşüm oranı gösterdi ve dolayısıyla daha iyi bir CO2 yakalama yüzdesine sahip olacağı anlaşılmıştır. Lityum ortosilikatın (Li4SiO4), dilityum kalsiyum silikattan (Li2CaSiO4) daha fazla CO2 yakaladığı bilinmektedir. Bu bulgular, curuf türevli silikatların cazip malzemeler olduğunu ve yüksek sıcaklıkta CO2 yakalama yöntemlerinde kullanım için umut vadeden adaylar olduğunu göstermektedir. Yüksek fırın curufu türevli numuneler arasında en iyi sonuçları 950°C'de yapılanlar vermiştir. Bu başarıyı, sırasıyla 850°C ve 750°C'de yapılan BF curuf türevli numuneler takip etmektedir. BF curufu, diğer fırın curuflarına (bazik oksijen fırını ve elektrik ark fırını) kıyasla daha yüksek bir SiO2 yüzdesine ve ayrıca daha az FeO (demir oksit) içeriğine sahiptir, bu da yüksek fırın curufundan elde edilen numunelerin lityum ortosilikata daha yüksek dönüşüm oranlarına sahip olmasını sağlamaktadır. Yüksek fırın curufu numunelerinin, yüksek oranda SiO2 ihtiva etmeleri nedeniyle bu bahse konu SiO2'nin lityum ortosilikata dönüşme oranının daha yüksek olması kaçınılmazdır. Böylelikle yüksek fırın türevli numunelerin yüksek bir CO2 yakalama performansına sahip olduğu anlaşılmıştır. XRD sonuçlarına göre, diğer numunelerle aynı parametreler (ısıtma hızı ve tutma süresi) kullanılarak 750°C'de üretilen numunelerde zabuyelit formunda dönüşmemiş lityum karbonat (Li2CO3) tespit edilmiştir. Bu, daha düşük sentez sıcaklıklarında, lityum karbonatın uygun şekilde reaksiyona girmesi için yeterli zamana sahip olmadığını ve daha yüksek sıcaklıklar gerektirdiğini gösterir. Ayrıca, bu numunelerdeki lityum karbonat yüzdesi, bekletme süresinin azalmasıyla birlikte yükselmiştir, bu da durumun ters orantılı olduğunu ve daha yüksek tutma süresinin daha az lityum karbonat içeriği ile sonuçlanacağını göstermektedir. Ek olarak, curuflarda bulunan kalsiyum oksitin de karbon yakalama kapasitesini artırdığı bilinmektedir. Curuf türevli lityum silikatlarda az miktarda magnezyum (Mg), demir (Fe) ve alüminyum (Al) metallerinin de bulunuşu hem CO2 absorpsiyonunu hem de kinetik davranışı artırabilmektedir. Bu tezde lityum ortosilikat (Li4SiO4) üzerinden ilerlenmesinin diğer nedenleri arasında yüksek termal kararlılığının karbonizasyon-dekarbonizasyon döngüsünde etkili olması, lityum ortosilikatın diğer karbon tutucu lityum bazlı malzemelere göre iyi karbon yakalama performansı göstermesi, katı hâl sentezinin kolay olması gösterilebilir. Karbon yakalama testlerinde yüksek fırın türevli numuneler, saf SiO2 kullanılarak üretilen ve %100 lityum ortosilikata dönüşen iki adet numuneden neredeyse üç katı kadar daha iyi performans vermiştir. Ayrıca, karbon yakalama testi yapılan dokuz adet numunenin yüzey alanları Brunauer-Emmett-Teller (BET) yöntemine göre hesaplanmıştır.
Özet (Çeviri)
Lithium orthosilicate (Li4SiO4) is considered a possible material for capturing carbon dioxide (CO2) owing to its high capture capability and thermal stability. At present, fossil fuel burning accounts for a significant percentage of the world's energy needs and induces a rise in atmospheric carbon dioxide (CO2), which has been described as a significant contributor to global warming. For several more years, though, fossil fuels will prove to be the primary source of energy. Consequently, the most feasible approach to counteract the associated greenhouse effect is to develop cost-effective and environmentally friendly technology for large-scale CO2 capture and storage prior to release into the atmosphere. In this study, the aim is to optimize lithium orthosilicate synthesis by a solid-state method and to maximize the capture of CO2 in conjunction with benefiting from slags for waste utilization. This involves the evaluation of the key characteristics of the synthesized material that improve the efficiency of the CO2 capture. Li4SiO4 can be synthesized by the reaction of a homogeneous mixture of lithium carbonate (Li2CO3) and silica (SiO2) in a 2:1 mole ratio. In the present study, blast furnace (BF), basic oxygen furnace (BOF), and electric arc furnace (EAF) slags were used as silica sources along with Li2CO3 to synthesize lithium silicate. Moreover, pure SiO2 reagents were also used in the reaction with Li2CO3 to be able to compare the results with the slag-derived samples. Each sample has been mixed for 30 minutes in a turbula mixer to ensure a homogeneous mixture. The effect of the process conditions such as synthesis temperatures of 750-850-950°C, holding times of differentiating 4-10 hours in muffle furnace of the mixed powders with the heating rate (ramp) of 5°C have been studied and compared. The samples were characterized by x-ray diffraction (XRD) analyses and Rietveld analyses of samples were made in order to calculate the conversion rates. Conversion rates to lithium silicate, dilithium calcium silicate, and calcium oxide were followed and optimized. Nine samples, which were considered to give good results based on the conversion rates, were subjected to the CO2 uptake test. First, these samples were treated at 100°C in N2 atmosphere. Subsequently, they were heated up to 600°C with an increase of 20°C/min. Afterwards, they were again subjected to a 10 minutes long process under N2 gas. Then, for 2 hours, samples were kept in an atmosphere which is 92% CO2 and 8% N2 gas mixture at 600°C. Results of CO2 uptake tests showed promising and encouraging results in order to achieve the objective of waste utilization and carbon capture and storage, thus, reducing CO2 emissions. In this work, lithium orthosilicate was effectively synthesized using three different steel slags as silica sources in addition to pure SiO2 for comparison. All BF slag-derived samples ended up with better conversion rates, hence a better CO2 uptake percentage. It is certain that lithium orthosilicate (Li4SiO4) captures more CO2 than dilithium calcium silicate (Li2CaSiO4). These findings suggest that slag-derived silicates are appealing materials and promising candidates for use in high-temperature CO2 capture methods. BF slag-derived samples gave the best results, and these were made at 950°C. This success is followed by BF slag-derived samples made at 850°C and 750°C. BF slag has a higher SiO2 percentage and also less FeO (ferrous oxide) content, this makes BF slag-derived samples have higher conversion rates to lithium orthosilicate. This is explained by the fact that lithium orthosilicate, which SiO2 converts into, has a high performance of CO2 capture. Unconverted lithium carbonate (Li2CO3) was detected in zabuyelite form in samples produced at 750°C using the same parameters (heating rate and holding duration) as other samples, according to XRD results. This demonstrates that at lower synthesis temperatures, the lithium carbonate does not have enough time to react properly and that it requires higher temperatures. Furthermore, the percentage of lithium carbonate in these samples rose with the decreasing of holding time, indicating that the situation is inversely proportional, along with the circumstance of higher the holding time resulting in less lithium carbonate content. Concerning the carbon capture tests, the blast furnace-derived samples performed almost three times better than the two samples produced using pure SiO2 which converted to 100% lithium orthosilicate. In addition, the surface areas of nine samples, which were subjected to carbon capture test, were calculated according to the Brunauer-Emmett-Teller (BET) theory.
Benzer Tezler
- CO2 yakalayıcı sorbent olarak Li4SiO4 tozlarının yanma sentezi ile üretimi ve SPS ile sinterlenmesi
Production of Li4SiO4 as CO2 capture sorbent by combustion synthesis and its sintering with SPS
KAĞAN BENZEŞİK
Doktora
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONURALP YÜCEL
- Metanın oksidatif birleşme reaksiyonu için etkin katalizörlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of efficient catalysts for oxidative coupling of methane
HASAN ÖZDEMİR
Doktora
Türkçe
2015
Kimya Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ALİ GÜRKAYNAK
- Synthesis and characterization of metal borophosphate-boroarsenate compounds
Metal borofosfat ve boroarsenat bileşiklerinin sentezi ve karakterizasyonu
BAHAR BİRSÖZ
- Synthesis and characterization of alkaline earth boroarsenate compounds
Toprak alkali metal boroarsanat bileşiklerinin sentezi ve karakterizasyonu
AYTEN EVREN
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
KimyaFatih ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. MEHMET SOMER
Y.DOÇ.DR. ABDULHADİ BAYKAL
- Microwave assisted solid state synthesis of rare earth ions doped LaBO3, YBO3 and GdBO3, their characterizations and investigations of luminescence properties
Nadir toprak iyonları ile katkılı LaBO3, YBO3 ve GdBO3 orthoboratların mikrodalga yardımlı katı hal sentezi karakterizzasyonu ve lüminesans özelliklerinin araştırılması
METEHAN SEVEROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞEN YILMAZ
DOÇ. DR. OKAN ESENTÜRK