FAZ DEĞİŞTİREN MADDELERİN NANO MALZEMELERLE KULLANIMININ ARAŞTIRILMASI* Investigation Using Phase Change Material With Nano Particules

Transkript

1 FAZ DEĞİŞTİREN MADDELERİN NANO MALZEMELERLE KULLANIMININ ARAŞTIRILMASI* Investigation Using Phase Change Material With Nano Particules Nurten ŞAHAN Kimya Anabilim Dali Halime Ö. PAKSOY Kimya Anabilim Dali ÖZET Termal enerji depolama (TED) enerji sorununa alternatif çözümler sunmaktadır. Bu çalışmada TED de kullanılan faz değiştiren maddelerin (FDM) termal özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla nano malzeme kullanımı araştırılmıştır. TED sistemlerinde, genellikle FDM olarak tercih edilen, parafinin nano kompozitleri hazırlanarak karakterizasyonu yapılmış ve termal özellikleri araştırılmıştır. Nano kompozit hazırlamada sol-jel tekniğiyle sentezlenen nano magnetit (Fe 3 O 4 ) ve karbon nanotüp kullanılmıştır. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri nano magnetit partiküllerin boyutlarının nm arasında, oleik asitle stabilizasyonu sonucunda ise 4-9 µm aralığında olduğunu göstermiştir. Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) analizleri parafinin gizli ısı depolama kapasitesine oranla karbon nanotüplü kompozitlerin depolama kapasitesinin %11,5 - %23 ve magnetit demir nano partiküllü kompozitin ise %1,7 kadar arttığını göstermiştir. Faz değişim aralıklarında ise önemli bir değişiklik gözlemlenmemiştir. Isınma ve soğuma eğrileri ise FDM nin ısıl iletkenliğinin nano malzeme kullanımıyla artırılabileceğini göstermektedir. Anahtar Kelimeler: FDM,TED,Nano Magnetit,Karbon Nanotüp,Kompozit ABSTRACT Thermal energy storage (TES) provides alternative solutions to the energy problem. In this study, using nano materials with the purpose of enhancing thermal properties of phase change materials (PCM) used for TES has been investigated. Nano composites of parafins, which are the mostly preferred PCMs in TES systems, are prepared, characterized and thermal properties has been determined. For preparing nano composites nano magnetit (Fe 3 O 4 ) prepared with sol-gel method and carbon nano tubes has been used. Scanning Electronic Microscope (SEM) analysis has revealed that size of nano magnetit particules that has been in the range of nm was increased to 4-9 µm after stabilization with oleic acid. According to Differential Scanning Calorimeter (DSC) results, latent heat storage capacity of paraffin has been increased by 11,5 23 % for PCM-carbon nanotube composites and by 1,7% for PCM-nano magnetit composite. No significant change Yüksek lisans-msc Thesis

2 in the phase intervals were observed. Heating and cooling curves showed that thermal conductivity of PCMs can be increased by using nano particles. Key Words: PCM, TES, Magnetit Nano, Carbon Nanotube, Composite Giriş Günümüzde özellikle ekonomik sebepler nedeniyle ağırlıklı fosil yakıt tüketiminin küresel ısınmaya katkısı ciddi boyuttadır. Yenilenemeyen enerji kaynaklarının tükenmesi ve çevresel tehdidin büyüklüğü yeni çözümlerin araştırılmasına neden olmuştur. Bunun bir sonucu olarak yenilenebilir enerji kaynaklarının depolanması büyük önem kazanmıştır. Bu nedenle termal enerji depolama yöntemleri, yenilenebilir enerji kaynaklarının mevcut olduğu zamanlarda depolanarak, kaynakların kesintiye uğradığı zamanlarda kullanılmasına olanak vermektedir. Seralar, bitkilerin gelişmesi için çevre koşullarının uygun olmadığı zamanlarda bitkilerin gelişimine uygun ortamların yaratıldığı yapılardır. Bitkilerin büyümeleri ve gelişmeleri için, sera sıcaklığının belirli sınırlar arasında tutulması ve soğuk mevsimlerde seranın ısıtılması gerekir. Sera işletim maliyetlerinin büyük bir kısmını ısıtma masrafları oluşturmaktadır. Seralarda ısıtma çoğunlukla ekonomik analizde ısı masraflarını en aşağı çeken kaynaklar tercih edilerek gerçekleştirilmektedir. Son yıllarda doğalgaz ve kömür kullanımı ön plana çıkmaktadır. Bu yüzden seralarda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması maliyetin azaltılması ve ürün kalitesinin arttırılması açısından yararlı olacaktır. Ayrıca fosil yakıtlar kullanılmadığı için çevreye katkısı da büyük olacaktır. Materyal ve Metod Materyal Araştırmada kullanılan tüm maddeler analitik saflıkta olup Sigma Aldrich ve Rubitherm firmalarından sağlanmıştır. Kimyasallar: Nano partikül sentezlemek için kullanılan kimyasallar HCl, NH 4 OH, FeCl 3.6H 2 O, FeCl 2.4H 2 O, De-iyonize su ve nano kompozit hazırlamak için gerekli kimyasallar parafin,oleik asit, CH2Cl2,karbon nanotüp( C-150-P,C150-HP) Kullanılan Cihazlar: DSC (Perkin Elmer Diamond), su banyosu (Huber CC3), veri kaydetme cihazı (Agilent), CR10X,SEM(Perkin Elmer marka RX-1 Metod Sol-jel yöntemi bir sıvı faz içinde bulunan katı taneciklerden oluşan kolloidal süspansiyonların (sol) ve sonrasında sürekli bir sıvı faz içerisinde üç boyutlu katı inorganik ağ yapılarının (jel) oluşmasını içerir. Burada, kolloidal boyuttaki kristal olmayan tanecikler kullanılarak sulu veya susuz bir ortamda metal oksitlerin kararlı çözeltilerinin hazırlanır.(

3 Nano Partiküllerin Stabilize Edilmesi Stabilizasyonun birinci aşamasında nanopartiküller sentezlendikten sonra 5 M NH 4 OH ile ph 9,5 e ayarlanır. Oleik asit miktarının stabilizasyon üzerindeki etkisini araştırmak için hacimce farklı oaranlarda oleik asit-diklorometan (%1 ve %5) stabilizasyon çözeltileri hazırlanarak iki ayrı demir nano partikül numunesinin üzerine ayrı ayrı şırıngayla azot ortamında eklenir. Manyetik karıştırıcı ile karıştırma işlemi yaklaşık 1 saat devam ettirilir. Çözeltinin hidrolize olmasını önlemek için ph 7 ye 1 M HCl ile ayarlanır. Bu ph araralığında magnetit yüzeyinde hem katyonik hem de anyonik yükler bulunur (Raghed ve Riffle, 2008). Böylece oleik asidin eksi yüklü karboksilik grubu magnetit yüzeyinde katyonik bölgelere tutunarak stabilizasyonu sağlanır. FDM-Nano Kompozit Hazırlanması FDM olarak parafin kullanılarak aşağıdaki nano malzemelerle kompozit hazırlanmıştır. Oleik asitle stabilize edilen magnetit nanopartiküller (kütlece % 10) Karbon nanotüp C-150-P (kütlece %1) Karbon nanotüp C-150-HP (kütlece %10 ) Kompozit hazırlarken, önce parafin ısıtılarak etitilir, daha sonra nano partiküllerin parafin içinde düzgün dağılımını sağlamak için vorteks cihazı ile 1000 rpm de parafin donana kadar yaklaşık 5 dakika boyunca karıştırılır. Araştırma Bulguları ve Tartışma Bu çalışmada organik faz değiştiren maddelerin (FDM) termal özelliklerinin geliştirilmesi için FDM ile nano malzeme kullanımı araştırılmıştır. Organik FDM olarak parafin (erime aralığı : C, ısıl iletkenliği: 0,36 W/m-K) kullanılmıştır. Sol-jel yöntemiyle sentezlenen magnetit (Fe 3 O 4 ) nanopartiküller stabilize edilerek FDM-nano kompozitleri hazırlanmıştır. Ayrıca yüksek ısıl iletkenlikleri nedeniyle karbon nanotüp olarak Baytubes (C-150-P, C-150-HP) ile de FDM-nano kompozitler hazırlanmıştır. Hazırlanan magnetit nano partiküllerin ve FDM-nano kompozitlerin karakterizasyonu SEM, FTIR ve manyetik süseptibilite cihazlarıyla yapılmıştır. FDM-nano kompozitlerin termal özelliklerinin belirlenmesi için DSC ve ısınma-soğuma eğrileri analizleri yapılmıştır. Elde edilen bulgular burada tartışılmaktadır

4 Magnetit Nano Partiküllerin FTIR Analizi Şekil 1.Sentezlenen magnetit nano partikül FTIR spektrumu Yüksek yoğunluklu pikin 578 cm -1 de olduğu görülmektedir. Bu pik Fe 3 O 4 kristal yapısındaki Fe-O bağına karşılık gelmektedir. SEM Analizleri nm arasında değiştiği ve partiküllerin şekillerinin birbirlerinden farklı olduğu Şekil 2 de görülmektedir. Şekil kat oranında büyütülmüş magnetit nano örneği

5 Şekil 3.Oleik asit ile stabilize edilmiş magnetit nano örneği Homojen tanecik boyutu ve yapısı elde edilmiştir. SEM görüntüleri üstünde verilen farklı taneciklerin üzerindeki boyut çizgilerinden de görüldüğü gibi tanecik boyutları 4-9 µm arasında değişmektedir. Şekil 4.Stabilize edilmiş nano magnetit - parafin kompoziti Nano partiküller küresel yapısını korurken parafin tarafından sarılmasıyla boyutları µm arasında değişen ebatlara büyümüştür

6 DSC Analizleri DSC analizleri sonucunda numunelerin faz değişim sıcaklıkları ve gizli ısı depolama kapasiteleri Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Numunelerin faz değişim sıcaklıkları ve gizli ısı depolama kapasiteleri Numuneler Erime Aralığı ( o C) Parafin Gizli Isı (J/g) Parafin - Magnetit nano kompozit Parafin nanotüp kompoziti ( C150-P) Parafin nanotüp kompoziti ( C150-HP) Isınma-Soğuma Eğrilerinin Belirlenmesi Şekil 5. Isınma eğrileri. demir: magnetit nano-parafin kompoziti, cp: parafin nanotüp (C150-P)- kompoziti

7 Şekil 5.Soğuma eğrileri. demir: magnetit nano-parafin kompoziti, cp: parafin nanotüp (C150-P)- kompoziti Parafinin düşük ısıl iletkenliği nedeniyle faz değişimi gözlenemezken nano partikül kullanımıyla FDM-kompozitlerin ısıl iletkenliği ve faz değişimi hızı artmıştır. FDM-nano magnetit kompozitin erimesi 10ºC lik bir aralıkta meydana gelirken, FDM-nanotüp kompozitinin 5ºC lik bir aralıkta tamamlandığı görülmektedir. Bu durum nanotüp partiküllerinin FDM içinde daha uygun dağılmış olduğu izlenimini vermektedir. Manyetik Süseptibilite Analizi Sentezlenen nano manyetik örneğinin manyetik süseptibilite analizi ile manyetik yapısı araştırılmıştır. Bu ölçümden elde edilen sonuçlarla Bölüm de verilen Eşitlik 3.1, 3.2 ve 3.3 yardımıyla hesaplanan deneysel manyetik moment değeri 0,886 emu dur. Deneysel olarak bulunan değerin teorik olarak bulunan değerle uyumluluğu durumunda maddenin paramanyetik özellikte olması beklenir. Ancak bulduğumuz deneysel değer, teorik aralığın dışındadır. Bu nedenle örneğin yapısının ferrimanyetik olduğu düşünülmektedir. Bu durum elde edilen örneğin magnetit olduğunu desteklemektedir. Tartışmalar Termal enerji depolama için kullanılan faz değiştiren maddelerin termo kimyasal ve fiziksel özelliklerinin sistemlere uyarlanabilemesi ve sisteme enerji kazanımı olarak yararlı şekilde dönebilmesi için en ideal olması gerekir. Faz değiştiren maddelerin kolay depolanabilmesi, bol ve ucuz olması,korozif ve toksik olmaması,termal iletkenliği ve karalılığının yüksek olması, ve birim hacimde depolama kapasitesinin yüksek olması gerekmektedir. Bizim bu çalışmamızda kolay depolanabilen, ucuz,toksik olmayan organik olduğu için termal iletkenliği düşük parafinin termal iletkenliğini termal iletkenliği

8 yüksek magnetit demir nano partikül ve karbon nanotüplerle kompozitleri hazırlanarak artılacağı öngörülmesine rağmen termal iletkenlik testleri uygun cihaz bulamadığımız için yapılamamıştır. Yapılan gizli ısı depolama kapasitesi ölçümlerinde ise parafine göre magnetit demir nano parafin kompozitinde % 1.7 gibi düşük bir artış gözlenirken, karbon nano tüp(c150-hp)-parafin kompozitinde %11.5 artmışken; karbon nanotüp(c150-p)-parafin kompozitinde %23 artığı görülmüştür.bu değerler bizim için iyi bir iyileştirme olarak kabul edilebilir. Kaynaklar ABHAT A., 1983, Low temperature latent heat thermal energy storage materials. Solar Energy 30, ANDERSSON O., 2003, Cooling with Underground Thermal Energy Storage Application in Sweeden Futurestock 2003 Congress.Warsaw,Poland,25-30 ASMATLU R.,ZALICH M.A.,, CLAUS O.R., J.S.,Synthesis, 2004,Characterization and Targeting of Biodegrable Magnetic Nanocomposite Particles by External Magnetic Fields.Journal of Magnetism and Magnetiv Materials, BACHMAN G.,Nanotechnology,Tecnology Analysis 1994,5,VDI-TZ DONG Z.,SHOU L.,Preparation and property of nano-encapsulated phase change material,effstock,11th International Conference on Thermal Energy Storage, June,Stockholm,Sweden. DRUCK H., BALES C.,HADORN J.C.,STREICHER W.,2008,Advanced storage concepts for solar houses and low energy buildings, IEA-SHC TASK 32 FANG Y.,KUANG S., GAO X., ZHANG Z.,2008,Preparation and characterization of novel nanoencapsulated phase change materials.energy Conversion and Management 49, H.O. C.J.,KAO J.Y.,2009, Preparation thermophysical properties of nano particals in paraffin emulsion as phase change material.international Communications in Heat and Mass Transfer 36,