e-posta:

Transkript

1 SOL-JEL METODU İLE ÜRETİLEN MEMBRANIN KARAKTERİZASYONU Sinem BAYRAKTAR, Miray SAKARYA, F.Nihal TÜZÜN* *Hitit Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü,Çorum. e-posta: Özet Bu çalışmanın amacı, alümina destek üzerine sol-jel proses kullanarak hazırlanan membranın karakterizasyonunun belirlenebilmesidir. Çalışma esnasında gözenek modifikasyonunu sağlamak amacı ile alümina esaslı destek hazırlanan silika sol solusyona daldırarak kaplanmış ve ardından 120 C lik etüvde 3 saat kurutulmuştur. Daha sonrasında membran 900 C sıcaklıkta kalsine edilerek ikinci kez sol-jel prosese tabi tutulmuş ve aynı işlemler tekrar edilmiştir. Bu işlemler sonucunda sabit hacim-değişken basınç sistemi kullanılarak membranın sabit seçicilikte N 2 ve SF 6 gazları için geçirgenlik özellikleri ile difuzyon katsayıları tayin edilmiştir. Sonuçlar, N 2 gazının geçirgenlik değerlerinin SF 6 gazına göre yüksek olmasının nedenini gazların kinetik çaplarına bağlı olarak göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Membran, sol-jel, geçirgenlik, seçicilik Giriş Membran hücreleri moleküllerin hepsi için değil fakat çoğu için bariyer özelliktedir.membran zarının gelişimi diğer moleküllerin hareketini kısıtlarken bazı materyallerin geçmesine izin verebilecek zarın evriminde önemli bir adım olmuştur. [1]. Teos prehidrolizi polimerik ikili sistemleri sentezle birleştirmek için en iyi metot olarak bulunmuştur.[2] Zayıf dallı polimerlerin sollerle analizinde bu polimerin mikro gözenekli metaryallerde sağlamlaştırılması beklenir. Sol-jel prosesinin hidrolizi ve alkoksitin yoğunlaşması: -Si - OR + H20 -Si - OH + ROH -Si - OR + HO Si- - Si - O - Si- + ROH Sol morfolojisi sistemi kontrol ederek düzenler ve zayıf dallı polimerik sistemlere ya da partiküler boyutlara yönlendirir.[3-4] Silika membranlar yaklaşık on yıldır bilinmektedir. [5]Membran esaslı gaz ayırma belirgin bir büyüme,düşük sermaye maliyeti ve faydaları nedeniyle,düşük enerji gereksinimleri ve işlem

2 kolaylığı sağlar. Solüsyon-difüzyon mekanizmasında polimerik membran ayırıcı gazlara dayanan ve tipik geçirgenlik ve seçicilik arasındaki iyi bilinen değişim ile sınırlıdır. [6] Membran-temelli gaz ayrımı, saflaştırmaya artan ilgi ve katalitik uygulama tabanlı konularda son yıllarda çıkan çok sayıda yayınla belirgin hale gelmiştir. [7] Silis veya silika esaslı membranlar kullanılarak hazırlanan sol-jel teknikleri de çok seçici iken, pervaporasyon sırasında yüksek akı görülür. [8] Mikro inorganik membranlar, iyi aşınma direnci ve yüksek basınç istikrarı ile mükemmel gaz ayrımı,termal ve kimyasal istikrar nedeniyle geleneksel polimerik membranlara göre büyük ilgi görmüşlerdir(selülozik türevler,polisülfon,poliamid ya da poliamid membranlar vs.).[9] Sol-jel silika esaslı membranlar oldukça küçük gözenek boyutuna sahiptirler. Membranlar daha çok 5-8 A o aralık boyutuna küçültülürler. Bu membranlar aktif difüzyon sergilerken aktivasyon enerjisi 10 kj mol -1 etrafında görülen He ve H 2 gibi gazlar gösterilmiştir. Bu membranların nufüz etme oranları mol m -2 s -1 Pa -1. [10] Alümina esaslı membranların hazırlanması ve uygulaması son yıllarda büyük önem taşımaktadır[12]. Alümina esaslı membranlar, polimerik esaslı membranlarla kıyaslandığında yüksek termal dayanımları, kimyasal kararlılıkları ve uzun ömürleri nedeni ile teknik olarak katalitik reaksiyonlar kadar ayırma ve filtrasyonda da önem taşımaktadır[13,14]. İnorganik membranların hazırlanması esnasında kullanılan çeşitli metodlar arasında sol-jel proses en pratik yol olarak bilinmektedir. Çünkü, nano ölçekli gözenek boyutu ve dar gözenek boyut dağılımı ile mikro ölçekli ince bir membran hazırlayabilme avantajına sahiptir[13]. Sol-jel membran sentezinde, gözenek boyutu büyük ölçüde solun partikül boyutu ile saptanmaktadır[15]. Sol gözenekli desteğin üzerine genellikle daldırma veya kaydırarak dökme yöntemleri ile biriktirilir. Kurutma ve ısıl işlemden sonra, ince film düşük sıcaklıkta en küçük gözenek boyutunu oluşturur. Çoğu durumda, ince filmin gözenek boyutu ısıl işlem sıcaklığı ile artmaktadır. Deneysel Çalışmalar TEOS(tetraetilortosilikat), H 2 O, C 2 H 5 OH ve HNO 3 [1:1:26:11,76] hacimsel oranlarda alınarak solusyon hazırlandı ve iyice karıştırılarak solusyonun homojen olması sağlandı. Disk şeklinde kesilen alümina destek hazırlanmış olan solusyona batırılarak solusyonun desteğe iyice difüz etmesi sağlandı ve iyice difüz ettiğinden emin olmak için de desteğe vakum tutturuldu. Daha sonra hazırlanan membran 120 C ye ayarlanmış olan etüvde 3 saat boyunca kurutuldu. 1 C/dak ısıtma hızında 900 C sıcaklığa kadar kalsine edildi. Daha sonra 3 saat 900 C sıcaklıkta tutulan membran aynı hızda soğutuldu. İkinci kez solusyon [1:18] oranında etil alkol ile sulandırıldı ve hazırlanan membran tekrar bu solusyona daldırılarak, aynı işlemler bir kez daha tekrarlandı. Elde edilen membranın sabit hacim-değişken basınç ölçüm sisteminde N 2 ve SF 6 gazları için sabit seçicilikte gaz geçirgenlik ve difuzyon katsayıları saptandı.

3 Sonuçlar ve Tartışma Kimya endüstrisinde akışkan karışımlarını ayırmak için daha etkili yöntemlerin geliştirilmesi çabaları son yıllardaki enerji tüketimini azaltma eğilimi dolayısıyla daha da artmıştır. Çok büyük gelecek vaat eden nispeten yeni ayırma tekniklerinden biri membranlardan akışkanların seçimli geçişidir. Basitlikleri ve enerji tasarrufu sağlamaları membran ayırma proseslerini gaz fazda gerçekleşen ayırma problemleri için cazip hale getirmektedir. Faz değişimine gerek olmadan ve yüksek sıcaklıklara çıkmadan ayırma sağladıkları için enerji tüketiminin geleneksel sistemlerden daha az olması en büyük avantajlardan biridir. Ayırma işleminde en temel özellikler olan geçirgenlik(f) ve seçicilik(α) değerleri ile difuzyon katsayıları elde edilen kompozit membran için sabit hacim-değişken basınç ölçüm sisteminde sabit seçicilikte N 2 ve SF 6 gazları için sırası ile Eşitlik(1), Eşitlik(2) ve Eşitlik(3) den belirlendi. p F = t ι V TpAR (1) α = P ÇIKIŞ /P GİRİŞ (2) D = ι 2 / 6t (3) Tablo 1. N 2 ve SF 6 Gazları İçin Geçirgenlik-Seçicilik Sonuçları Gaz F(cm-cm 3 / cm2 cmhg) α Kinetik Çap (A) N E SF E

4 Tablo 1 den elde edilen sonuçlara göre N 2 gazının geçirgenliğinin SF 6 gazına göre daha yüksek olduğu görülmektedir. Bunun nedeninin ise solusyonun gözeneklere yeterince difuz edememesi ve boşluklar bulunmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Teşekkür Bu çalışmanın hazırlanmasında büyük emeği geçen Doç.Dr. Halil KALIPÇILAR ve ODTÜ Kimya Mühendisliği Bölümü ne teşekkürü bir borç biliriz. Semboller ι : membranın kalınlığı (cm) dp/dt : yatışkın durumda basınç değişimi (cmhg/s), p : Basınç (cmhg), T : Sıcaklık (K), A : membranın kesit alanı (cm 2 ), V : hacim (cm 3 ). R: gaz sabiti F : geçirgenlik katsayısı (cm-cm 3 / cm 2 cmhg-s) α :seçicilik t: zaman Kaynaklar [1] Text 1992, 1994, 1997, 1998, 2000, 2001, 2007, by M.J. Farabee, all rights reserved. Use for educational; purposes is encouraged. [2] Singer, S. J., and Nicolson, G.L The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science 175, [3] K.S.W. Sing, D.H. Everett, R.A.W. Haul, L. Moscou, R.A. Pierotti, J. Rouqu~rol and T. Siemiewska, Pure Appl. Chem.57 (1985) 603. [4] R.J.R. Uhlhom, K. Keizer and A.J. Burggraaf, J. Membrane Sci. 66 (1992) 271. [5] C.J. Brinker and G.W. Scherer, Sol-Gel Science. The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processin (Academic Press, San Diego, CA, 1990).

5 [6] Renate M. de Vos,Wilhelm F. Maier, Henk Verweij, Hydrophobic silica membranes for gas separation, Journal of Membrane Science 158 (1999) [7] G. Xomeritakis, C.Y. Tsai, Y.B. Jiang, C.J. Brinker, Tubular ceramic-supported sol gel silicabased membranes for flue gas carbon dioxide capture and sequestration, Journal of Membrane Science 341 (2009) [8] Y. Yıldırım,R. Hughes, An Experimental Study Of CO2 Separation Using A Silica Based Composite Membrane, Institution of Chemical Engineers Trans IChemE, Vol 81, Part B, July 2003 [9] Yu Ma, JinhuiWang, Toshinori Tsuru, Pervaporation of water/ethanol mixtures through microporous silica membranes, Separation and Purification Technology 66 (2009) [10] Chung-Yi Tsai, Siu-Yue Tam, Yunfeng Lu, C. Jeffrey Brinker, l-layer asymmetric microporous silica membranes, Journal of Membrane Science 169 (2000) [11] Balagopal N. Nair, Takeo Yamaguchi, Tatsuya Okubo, Hideo Suematsu, Klaas Keizer, Shin- Ichi Nakao, Sol-gel synthesis of molecular sieving silica membranes, Journal of Membrane Science 135(1997) [12] A.J. Burggaaf and K. Keizer, Inorganic membranes,van Nostrand, New York, ABD, 10, [13] A.K. Prabhu and S.T. Oyama, Highly Hydrogen Selective Ceramic Membranes, J. Mem. Sci, 176, , [14] Y.S. Lin, Microporous and Dense Inorganic Membranes: Current Status and Prospective, Separation and Purification Technology, 25, 1-3, 39-55, [15] Y.S. Lin and A.J. Burggaaf, J. Amer. Ceram.Soc., 74, 29, 1991.