GRUP PARAFĠN FDM-MONTMORĠLLONĠTE KOMPOZĠT YAPI MALZEMESĠNĠN ENERJĠ DEPOLAMA ÖZELLĠKLERĠNĠN BELĠRLENMESĠ

Transkript

1 TÜBĠTAK-BĠDEB KĠMYA LĠSANS ÖĞRENCĠLERĠ KĠMYAGERLĠK, KĠMYA ÖĞRETMENLĠĞĠ, KĠMYA MÜHENDĠSLĠĞĠ ARAġTIRMA PROJESĠ EĞĠTĠMĠ ÇALIġTAYI KĠMYA-2 ÇALIġTAY 2011 GRUP PARAFĠN FDM-MONTMORĠLLONĠTE KOMPOZĠT YAPI MALZEMESĠNĠN ENERJĠ DEPOLAMA ÖZELLĠKLERĠNĠN BELĠRLENMESĠ PROJE EKĠBĠ Didem AYCAN Hörü YILMAZ İlkay UYANUSTA Prof.Dr.Mehmet AY PROJE DANIġMANLARI Prof.Dr Ahmet SARI KEPEZ/ÇANAKKALE TEMMUZ

2 ĠÇĠNDEKĠLER SAYFA NO Proje kapağı. 1 Ġçindekiler. 2 Projenin Hedefi. 3 GiriĢ 3 Deneysel ÇalıĢmalar.. 6 Bulgular ve TartıĢma. 10 Sonuçlar ve Değerlendirilmesi.. 13 Kaynaklar 14 Katkıda Bulunanlar 15 ÇalıĢma Takvimi. 16 Kısa ÖzgeçmiĢ.. 2

3 PROJENĠN HEDEFĠ * Yapı malzemelerine alternatif olarak yeni bir kompozit maddenin üretilmesi * Üretilen bu yapı malzemesinin kimyasal bakımdan karakterize edilmesi * Üretilen bu malzemenin binalarda çimento sıva, alçı sıva, kartonpiyer, tuğla, beton vb. uygulamalarda güneş enerjisinin depolanıp bina iklimlendirilmesi amaçlı kullanım potansiyelinin artırılması * Çalışılan montmorillonite türünün ülkemizdeki kaynakları araştırılıp, bu kaynaklardan sağlanacak kilin enerji depolama amaçlı kullanım alanlarının daha da artırılarak ülke ekonomisine katkıda bulunulması * Hazırlanan bu tip bir kompozitin binalarda kullanılması sonucunda yardımcı enerji kaynağına duyulan ihtiyacın azaltılması, böylece yakıt rezervleri (kömür, petrol ve doğal gaz gibi) muhafaza edilebilmesi, değerli olan fosil 3

4 GĠRĠġ İstenen amaç için tek başlarına uygun olmayan farklı iki veya daha fazla malzemeyi istenen özellikleri sağlayacak şekilde belirli şartlar ve oranlarda fiziksel olarak,makro yapıda bir araya getirerek elde edilen malzemeye kompozit madde denir. Kompozit malzemelerde yapıyı oluşturan bileşenler birbiri içinde çözünmezler, kimyasal olarak inert davranırlar.ancak özellikle metalik sistemlerde düşük oranlarda bile olsa, bir miktar çözünme bileşenler arasında kompozit özelliklerini etkileyebilen ara yüzey reaksiyonları görülebilir. Kompozit malzemelerin bilinen en eski ve en geniş kullanım alanı inşaat sektörüdür.saman ile liflendirilmiş çamurdan yapılan duvarlar ilk kompozit malzeme örneklerindendir.bugün taş, kum, kireç, demir ve çimento ile oluşturulan kompozit malzeme evlerimizi oluşturmaktadır. Faz değişim maddesi(fdm) ise ısıl enerji depolama için kullanılan sabit bir faz değiştirme sıcaklığında ortamdaki ısı enerjisini soğurup yaymak suretiyle ısı regülasyonu sağlayan maddelerdir. Bu tip maddeler gizli ısı depolayıcı maddeler olarak da adlandırılırlar. FDM nin birim kütlesi veya birim hacmi başına ısı depolama kapasitesi duyulur ısı depolama maddelerine kıyasla daha yüksektir. Duyulur ısı depolama sistemlerine nispeten kullanılacak ısı deposunun hacmi daha küçüktür. Enerji depolama süresince FDM nin sıcaklığı hemen hemen sabit kaldığından sabit sıcaklıkta enerji depolama ve geri kazanım uygulamaları için oldukça uygundur. FDM lerin Isıl-Fiziksel Kriterleri *İstenilen sıcaklık aralığında erime sıcaklığına sahip olmalıdır. *Birim hacim ya da kütle başına depoladığı faz değişim ısısı yüksek olmalıdır. *Yüksek ısıl iletkenliğe sahip olmalıdır. 4

5 *Düşük buhar basıncına sahip olmalı ve faz değişimi esnasında küçük hacim değişimi göstermelidir. *Düzenli erime ve katılaşma davranışı göstermelidir. FDM lerin kullanım alanlarına bakacak olursak; sıcak gıda ürünlerinin taşınması ve muhafazası, elektronik cihazların soğulması, çeşitli tekstil ürünleri, sağlık uygulamaları kan numuneleri ve organ taşımacılığı, ameliyat masalarında sıcaksoğuk terapileri gibi pek çok alan karşımıza çıkmaktadır. Faz değiştiren maddelerin bazıları dezavantaja sahiptir.örneğin tuz hidratları nemli bölgelerde akarlar ve oluşan nem değişikliği ile hidrat sayısında değişikler olabilir.hidrokarbonlar eridiğinde viskozitesi azalabilir ve böylece binanın duvarları içerisinden akabilirler.buharlaşma ile de havanın uçucu organik bileşimini sınır değerlerinin üzerine yükseltebilirler.bu yüzden FDM ler bir kap, yani kendilerini saran bir mikrokapsül içerisinde kullanılmalıdırlar. Binalarda yapı malzemesi içinde FDM kullanımı 1970 yılında tuz hidratların kullanılmasıyla başlamıştır. Bina uygulamalarında kullanılacak FDM lerin 20ºC dolaylarında erimeleri gerekmektedir. Alçı, çimento, perlite, diatomite, vermikulite, bentonit gibi killer kullanılarak çimento sıva, alçı sıva, kartonpiyer, tuğla, beton ve diğer şekillerde kompozit FDM ler elde edilmektedir. Endüstriyel ve teknolojik alandaki yenilikler, artan nüfus ve neden olduğu hızlı kentleşme sürecinin enerji tüketimini hızla artırdığını gördük.enerji insanlar için temel bir ihtiyaç haline gelmiştir.enerji üretimi ve kullanımında yabancı kaynaklara bağımlılık ve çevre üzerindeki olumsuz etkiler enerji verimliliği ve tasarrufu konularını öne çıkarmıştır. 5

6 Enerji tüketimimizin %35-40 ının binalarda tüketilmesi ve bu oranın %85 inin ısıtmada kullanılması yapılarda bina yalıtımına gereken önemin verilmeyişinden kaynaklanmaktadır.bu da ısı yalıtımının önemini daha da artırmaktadır.dünya ülkelerinin bina yalıtımı ile enerji tasarrufu sağlama çabası içinde Türkiye ninde yerini alabilmesi için, ısı yalıtım sistemlerine yani FDM lerle hazırlanan yapı malzemelerine yeterli önemin verilmesi gerekir.[1] LĠTERATÜRDEKĠ FARKLI KOMPOZĠT TÜRLERĠNĠN ISIL ENERJĠ DEPOLAMA ÖZELLĠKLERĠ - TABLO-1 Kompozit/ FDM E.N.( 0 C) D.N.( 0 C) Gizli Isı(J/g) Referans Bütil Stearat (%25-30)/alçı taşı 18,0 21,0 30,0 [2] Kaprik asit-laurik asit(%26)/alçı taşı 19,1-35,2 [3] Kaprik asit-stearik asit (%25)/alçı taşı 23,8 23,9 49,0 [4] (%25)Kaprik-Palmitik asit /alçı taşı 22,9 21,7 42,5 [5] PEG(%50)/diatomit 27 32,2 87,09 [6] Propil palmitat(%25-30)/alçı taşı 19,0 16,0 40,0 [7] Kaprik asit-miristik asit(%20)/vmt 19,8 17,1 27,0 [8] RT20/Montmorillonite 20,8-53,6 [9] 6

7 DENEYSEL ÇALIġMA Deney çalıģmamızda kullanılan maddeler MONTMORİLLİTE KİLİ Kimyasal Formül: (Na, Ca) 0.33 (Al, Mg) 2 (Si 4 O 10 ) (OH) 2 nh 2 O [10] Montmorillonit genellikle mikroskobik kristallerden oluşan minerallerin Filosilikat grubundan çok yumuşak bir kildir.adını Fransızca'daki Montmorillon dan almıştır. Smektit ailesinin bir üyesi olan montmorillonit, merkezde oktahedral sac sandviç ve 2 tetrahedral yaprak anlamına gelir. Yani 2:1 oranı içeren bir kildir. Parçacıkların ortalama çapı yaklaşık bir mikrometredir ve plaka şeklindedirler. Bu grubun üyeleri saponite içerir. Montmorillonit su içeriği değişken ve su emer hacmi büyük ölçüde artırır. Genellikle klorit, muskovit, illit, cookeite ve kaolinit karışımları şeklinde oluşurlar. KAPRİK ASİT Kimyasal Formül: CH 3 (CH 2 ) 8 COOH [10] 7

8 Doğada bulunan doymuş yağ asitleri grubunun 10 karbonlu bir üyesidir. Çok sayıda katı ve sıvı yağların önemsiz bir bileşenidir. Tereyağı ve koko yağında % 7 oranında bulunur. İyi ısı ve renk stabilitesine sahiptir. Kullanım alanları: Yüzey aktiflerin üretimi (anyonik ve non iyonik yüzey aktifler), gıda bileşenleri üretimi (orta zincirli trigliseridler, mct), yağlayıcılarmakine yağları, sabun ve deterjan üretiminde (anyonik ve non iyonik yüzey aktifler) kullanılmaktadır. Gıdalarda topaklanmayı önleyici olarak kullanımaktadır. Kaprik asit ayrıca boya üretiminde de kullanılmaktadır. Ayrıca sanitize edicilerde de kullanım alanı bulmaktadır. Kaprik asit gıdalarda mayaya karşı etkili bir inhibitördür. Kapalı ambalajında 50 o C nin altındaki sıcaklıklarda yaklaşık 6 ay stabil depolanma özelliği vardır. Deneyimizin yapılış aşamaları; Plastik bir kap alınarak su banyosu düzeneği hazırlandı. Kaprik asitten 1.40 g tartım alınıp 100mL lik bir behere konuldu. 8

9 250 ml lik bir beher içerisine 1 g montbonillite kili konuldu. Bu iki beher de su banyosu içerisine yerleştirildi. 9

10 Kaprik asitin erime sıcaklığına ulaşmasıyla su banyosu içinden alınıp damla damla montbonillite kili üzerine eklenirken bir yandan da baget ile karıştırıldı. Ancak asit damlasının eklenmesi sık sık değil birkaç dakika arayla yapıldı. Montbonillite kilinde kusma olana kadar asit eklemeye devam edildi. Ve böylelikle kompozit hazırlanmış oldu. Hazırlanan kompozitten örnekler alınarak DSC ve FTIR cihazlarına yerleştirildi ve alınan sonuçlara göre hazırlanan kompozit yapı malzemesinin enerji depolama özellikleri belirlenerek karşılaştırma yapıldı. 10

11 FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy) DSC(Differential Scanning Calorimeter) 11

12 BULGULAR VE TARTIġMA FT-IR cihazı ile yapı tayininde bulunulmuştur.kaprik asit montmorillite ve kompozit maddelerinin FT-IR ve DSC cihazında gözlenen sonuçları : Kaprik asit FT-IR cihazında 1707 cm -1 de gözlenen pik C=O bağından kaynaklanmaktadır.2923cm -1 ve 2855cm -1 de gözlenen pik COOH grubundan kaynaklanır.1412cm -1 civarında gözlenen pikler C-H asimetrik titreşimidir.1112cm -1 deki gerilme titreşimi C-O tekli bağından kaynaklanır. Kil için FT-IR deki yapı tayini ise : Kilde karbonil grubu yoktur.bu yüzden 1800cm -1 civarında pik gözlenmemiştir. 998cm -1 de gözlenen pik (Si-O) Silisyum atomlarına bağlı Oksijen grubu üzerindeki negatif yüklerden kaynaklanmaktadır. Kompozit yapı maddesi için yapı tayini ise: Kompozitte Hidrojen pikleri bulunmamasına rağmen Kaprik asitten dolayı 2855cm -1 ve 2923cm -1 de iki tane C-H piki gözlenmiştir.kaprrik asitte 1707 cm - 1 de gözlenen C-H piki kompozit yapı maddesinde 1708 cm -1 e kaymıştır. Montmorillite 998cm -1 de gözlenen Si-O piki kompozit yapı malzemesinde 935 cm -1 değerine kaymıştır. Bu kayma Silisyum atomlarına bağlı Oksijen üzerindeki negatif yükler ile Kaprik asitteki Hidroksil grubu arasında kurulan hidrojen bağından kaynaklanmaktadır. 12

13 FT-IR ANALĠZ SONUÇLARI DSC cihazı kullanılarak enerji depolama özellikleri belirlenmiştir. Kaprikasitin DSC cihazındaki H değeri 24.9 J/g bulunmuştur.kaprikasitin gerçek faz değişim entalpisi 140.0J/g dır.faz değişim sıcaklığı ise C dir.kaprik asit ile montmorillite karışımı DSC cihazındaki H değeri 12.4 J/g bulunmuştur.bu karışımın hesaplama sonucu beklenen H değeri 67.2 J/g dır. Bu sonuçların farklı çıkmasının nedeni; numune sıcaklığı ve ortam sıcaklığını DSC cihazı farklı olarak algılamıştır. Ölçümü 38 C de bitirmiştir. Cihazın kalibrasyonundan kaynaklanan sonuçlar ve şimdiye kadar yapılan çalışmalarda yüksek sıcaklıkta çalışıldığı için bulunan değerler beklenenden çok daha düşük çıkmıştır. 13

14 KAPRĠK ASĠT DSC SONUCU MONTMORĠLLONĠT/KAPRĠK ASĠT DSC SONUCU 14

15 SONUÇLARIN DEĞERLENDĠRĠLMESĠ VE ÖNERĠLER Faz değiştirici madde olarak kaprik asit ve montmorillite kullanılarak elde edilen kompozit yapı malzemesinin termal enerji depolama özelliğinden yararlanılarak binalarda ısıtma ve soğutma uygulamalarında verimliliğin arttırılacağı sonucuna varılmıştır. Binalarda yapı malzemeleri olarak alçı, çimento, perlite, diatomite, vermikulite, bentonit gibi malzemeler kullanılmaktadır. FDM olarak da yağ asiti esterleri, parafin, ötektik karışımlar kullanılmaktadır.biz bu çalışmada montmorillonite, FDM olarak da kaprik asit kullandık.literatüre bakıldığında henüz bu maddelerle bir çalışma olmadığı için, elde ettiğimiz bulgular yeni ve önemli katkılar sağlayabilir. Bina içerisinde kullanılan bu faz değiştirici maddelerin erime noktası ve ergime ısısının termal depolama özelliği ile enerji tasarrufunda katkıda bulunabileceği görülmüştür. Eğer TG cihazı kullanılarak bir analiz daha alınabilseydi, kompozitin bileşim oranlarını da daha detaylı olarak gösterebilirdik. Hazırlanan bu tip bir kompozitin binalarda kullanılması sonucunda ısıtma yükünün azaltılması ve böylece enerji tasarrufunun sağlanarak ülke ekonomisine kazanç sağlanabileceği görülmüştür. Ülkemizin fosil yakıtlar bakımından dışa bağımlılığı da düşünüldüğünde, bu tip kompozitlerin binalarda enerji depolama amaçlı kullanılmasıyla sağlanacak enerji tasarrufu ülkemizin enerjide dışa bağımlılığının azaltılmasına az da olsa katkıda bulunacaktır. Vakum emdirme metodu kullanılarak kompozit yapı malzemesi elde edilseydi daha verimli sonuçlar alınabilir, entalpi değerlerinin daha yüksek olduğu yapı malzemeleri elde edilebilirdi. 15

16 Tablo-1 e bakıldığında literatürde yapılmış olan kompozit maddeler ve FDM lerden farklı maddeler kullandığımızdan( yapı malzemesi olarak montmorillonit, FDM olarak kaprik asit) elde ettiğimiz veriler yeni katkılar için kullanılabilir. Elde ettiğimiz kompozit yapı malzemesinin ısı depolama özellikleri; Madde Montmorillonite/kaprik asit Faz değişim sıcaklığı(ºc) Faz değişim entalpisi(j/g) 29,1 67,2 16

17 KAYNAKLAR : [1] Faz değiştiren maddeler ile binalarda enerji verimliliği KONUKLU Yeliz,RAKSOY Halime Ö. (2011) [2] D. W. Hawes, D. Feldman, D. Banu, Latent heat stoarage in building materials (PCM) Energy and Buildings 20 (1993) [3] D. Feldman, D. Banu, D. W. Haves.Development and application of organic phase change material for thermal energy storage, Materials Chemistry and Physics 115 (2009) [4] L Shilei,Z Nang F. Guohui, Eutectic mixtures of capric acid and lauric acid applied in building wallboards for heat energy storage, Energy and Buildings 38 (2006) [5] A. Sarı, A. Karaipekli, K. Kaygusuz, Capric acid and stearic acid mixture impregrated with gypsum wallboard for low-temperature latent heat thermal energy storage, International Journal of Energy Resources 32 (2008) [6] X. Fang, Z. Zhang, Z. Chen, Study on preparation of montmorillonitebased composite phase change materials and their applications in thermal storage building materials, Energy Conversation and Management 49 (2008) [7] A. Karaipekli, A. Sarı, Capric acid and palmitic acid eutectic mixture applied in building wallboard for latent heat thermal energy storage,journal of Industrial and Scientific Research 66 (2007)

18 [8] A. Karaipekli, A. Sarı, Capric-myristic acid/vermiculite composite as form-stable phase change material for thermal energy storage, Solar Energy 83 (2009) [9]Charachteization of phosechangematerials R. Burnes,MJ Lee, J. Momonigal ( 2001) [10] John MC Muryy (2008) Organic chemistry 7th edition.thompson Brooks /Cole [11] DINCER, I., ROSEN, M. 17., 2002 Thermal Energy Stearge,Systems and applications, John Wiley&Sons Chichese (England) [12] Adsobtion of a new heavy metals on natural and modified kaolinite and montmorillanite.bhottacharyya KG, Gupta SS.Adu Colloid Interface SCİ.2008 Aug 5;140(2): EPUB 2008 jun 17 [13] A review on energyconservation in building applications with thermal storage by Latent heat using phase change materials, Amor M.Khudhair Mohammed M. Farid (2003) 18

19 KATKIDA BULUNANLAR Çalıştay süresince projemizi gerçekleştirmemize yardımcı olan tüm proje ekibine, danışmanlarımıza ve tüm arkadaşlarımıza teşekkür ederiz. Ayrıca; deney süresince bizden her alanda hiçbir yardımı esirgemeyen değerli hocalarımıza teşekkürlerimizi bir borç biliriz. 19

20 ÖZGEÇMĠġLER Ġlkay UYANUSTA (Eskişehir Osmangazi Üniversitesi ESKİŞEHİR) 1989 yılında Eskişehir de doğdu. İlk ve orta öğretimini Eskişehir Melahat Ünügür İlköğretim okulunda tamamladı. Lise öğrenimini Eskişehir de Hoca Ahmed Yesevi süper lisesinde tamamladı yılında Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Kimya bölümünden mezun oldu. Ayrıca Eskişehir Osmangazi Üniversitesinde Pedagojik Formasyon Eğitimi almakla beraber Anadolu Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi İşletme Bölümüne devam etmektedir. Hörü YILMAZ (Selçuk Üniversitesi-Konya) 1990 yılında Bulgaristan nın Haskova kasabasında doğdu yılında göçten sonra Kocaeli nin Gebze ilçesine yerleşti. İlköğrenimini Zübeyde Hanım ve Fevzi Çakmak İlköğretim Okullarında tamamladıktan sonra ortaöğrenimine Darıca Lafarge Aslan Çimento Endüstri Meslek Lisesi Kimya Bölümü nde başladı. 2.yılında aynı lisede Teknik Bölüm üne geçiş yaptı ve o yıl okul birincisi oldu. Lisansa Selçuk Üniversitesi Ahmet Keleşoğlu Eğitim Fakültesinde Kimya Öğretmenliği Bölümünde başladı.3.sınıf öğrencisiyken bir yıl Fizikokimya Laboratuvarında Öğrenci Asistan olarak görev yaptı. Halen eğitimine devam etmektedir. Didem AYCAN( Hacettepe Üniversitesi- Ankara) 1990 yılında İstanbul un Pendik ilçesinde doğdu. İlk öğrenimini yine Pendik te Orhan Sinan Hamzaoğlu İ.Ö.O nda tamamladıktan sonra ortaöğrenimini Kartal Anadolu Lisesi Fen Bölümü nde tamamladı.2008 yılında Hacettepe Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü nü kazandı ve hala 3.sınıf öğrencisi olarak öğrenimini burada devam ettirmektedir. Bunun yanı sıra TMMOB Kimya Mühendisleri Odası ve Genç Mühendisler Topluluğu na üyedir. 20