BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MMM303METALURJİ VE MALZEME LABORATUARI I FÖYÜ Çamur dökümle seramiklerin şekillendirilmesi Yrd. Doç. Dr. Ayşe KALEMTAŞ Araş. Gör. Taha Yasin EKEN BET İle Yüzey Analizi Deneyi 4 Deney 2016-2017
BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MMM303 METALURJİ VE MALZEME LABORATUARI I 3 ve 4 Numaralı Deneyler İçin Rapor Formatı Deney No : Deney Adı : Öğrenci No : Öğrenci Adı Soyadı : Rapor İçeriği Deneyin amacı Kullanılan malzemeler ve deney ekipmanları Konu hakkında özet ön bilgi Deneysel çalıġmalar ve elde edilen sonuçlar Sonuçların değerlendirilmesi Her bir deney sonunda verilen soruların cevapları. Kaynaklar Raporlar hem elektronik olarak hem de çıktı ġeklinde teslim edilmelidir. Raporun kapak sayfasında üstte yer alan bilgiler (deney no, adı, öğrenci no ve adı) yer almalıdır. Kapak tasarımı özgün olmalıdır. Rapor kapak ve kaynaklar sayfası dahil en fazla 10 sayfa olmalıdır. Raporda veriler tablo ve ġekillere dönüġtürülerek sunulmalıdır. Kaynak Yazım Formatı F.C. Campbell (ed.), "Light weight Materials Understanding the Basics", ASM International: Materials Park, Ohio, 2012. Arslan, G. ve Kalemtaş, A., Processing of Silicon Carbide-Boron Carbide- Aluminium Composites, J. Eur. Ceram. Soc., 29, 473 480, 2009. Kalemtaş, A., Bazı Oksit Dışı Seramik Alüminyum Karma Yapıların Basınçsız Emdirme Yöntemiyle Üretimi ve Karakterizasyonu, Doktora Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, 2009. Schwarzkopf, P., "Method of Manufacturing Composite Materials and Shaped Bodies thereof", U. S. Patent No: 2148040, 1939. İnternet veya uygulama notları için : Hazırlayan kurumun veya biliniyorsa hazırlayan kisinin adı, dökümanın adı, alındığı internet kaynağının adresi, tarih. 2
Önemli Not: Her bir deney öncesinde föy içerisinde yer alan bilgileri sorgulayan yazılı küçük bir sınav yapılacaktır. DENEY ADI : BET İle Yüzey Analizi Deneyi Deney No : 4 AMAÇ Gözenekli yapı içeren tozların veya katıların yüzey alanlarını, boşluk hacimlerini ve dağılımlarını ölçmek. GİRİĠ Yüzey alan analizi deneyi, fiziksel adsorbsiyon yöntemiyle, gözenekli toz veya katı numunelerdeki gözenek boyut ve dağılımının yüksek ve düşük basınçlarda belirlenmesinde kullanılır. Hesaplama işlemleri yapılırken Brunauer Emmett ve Teller teorisi kullanıldığından bu teorinin ilk harfleri olan BET ismi analizi yapan cihazların yaygın bir diğer ismi olmuştur. Katıların içinde ve görünen yüzeylerinde bulunan boşluk, oyuk, kanal ve çatlaklara genel olarak gözenek denilmektedir. Derinlikleri genişliklerinden daha büyük olan boşluk veya kanallar bulunduran katılar gözenekli katılar olarak tanımlanmaktadır. Gözeneklilik ise toz veya tanecikte bulunan gözeneklerin toplam hacminin toz veya taneciğin görünen hacmine oranıdır. Genişliği 2 nm den küçük olan gözeneklere mikrogözenek, 2-50 nm arasında olanlara mezogözenek, 50 nm den büyük olanlara ise makrogözenek denir. Kimyasal işlem ve ısıl işlemden daha çok mikro ve mezogözenekler etkilenir. Makrogözenekler ise yüksek basınçtan etkilenmektedir. Tozların hazırlanma yöntem ve koşullarının partiküllerin şekli ve boyutu yanında gözenekli yapısına da etkisi büyüktür. Gözenekli katıların en önemli özelliklerinden biri adsorplama güçlerinin yüksek oluşudur. Gaz adsorpsiyonu toz ve gözenekli malzemelerin yüzey alanı ve gözenek boyut dağılımlarını belirlemek için en çok kullanılan yöntemlerden biri haline gelmiştir. [1] Mezogözenek boyut analizi için azot adsorpsiyonu bir yöntem olarak kabul edilir. Katının bir gramında bulunan gözeneklerin toplam hacmine özgül gözenek 3
hacmi, bu gözeneklerin sahip olduğu duvarların toplam yüzeyine ise özgül yüzey alanı denir. Gözenekler küçüldükçe duvar sayısı artacağından özgül yüzey alanı da artacaktır. Yani, özgül yüzey alanının büyüklüğü özgül gözenek hacminin büyüklüğünden çok gözeneklerin büyüklüğüne bağlıdır. Gözeneklerin büyüklük dağılımına adsorplayıcının gözenek boyut dağılımı denir. Bir katının adsorplama gücü bu katının doğası yanında özgül yüzey alanı, özgül gözenek hacmi ve gözenek boyut dağılımına bağlı olarak değişmektedir. Gözenekli katıların ve tozların yüzey alanlarını ölçmek için kullanılan metotların çoğu adsorpsiyon ölçümüne bağlıdır. Özgül gözenek hacmi, özgül yüzey alanı ile gözenek boyut dağılımı gibi adsorplama özellikleri azotun 77 K daki adsorpsiyon izotermleri değerlendirilerek belirlenir. Adsorplanan madde miktarının basınçla ya da derişimle değişimini veren eğrilere adsorpsiyon izotermi denir. Gaz fazından ve çözeltiden adsorpsiyon için adsorplanan madde miktarı deneysel yoldan belirlenerek adsorpsiyon izotermleri çizilir. İzoterm, sabit sıcaklıkta denge koşullarının bir grafiğidir. Bir adsorpsiyon süreci en iyi şekilde izotermlerden anlaşılabilir ancak izotermlerden adsorpsiyon hızı hakkında bir bilgi edinilmez. [2] Ġekil 1. Adsorpsiyon izotermlerinin sınıflandırılması [1] 4
Şekil 1 de adsorpsiyon izotermlerinin sınıflandırılması görülmektedir. Adsorplanmış gaz miktarı n a ile gösterilmiştir. Hacimsel birimle ifade edilmektedir. Bağıl basınç p/p 0 ile gösterilmiştir. p denge basıncı ve p 0 doymuş basıncı adsorplama sıcaklığındaki adsorbatları temsil etmektedir. Tip I izotermi en az karmaşık halde bulunan izotermdir. Adsorplanan miktarın yüksek bağıl basınç (p/p 0 ) değerlerinde sınır değere yaklaşması ile karakterize edilir. Çok ince gözenekli yapıda olan bir katıdaki izotermler yaklaşık olarak bu biçimdedir. Adsorpsiyon hemen hemen basıncın çizgisel bir fonksiyonu olarak başlar, daha sonra daha az hızlı olarak yükselir. Tip 1 izotermi tek tabaka adsorpsiyonu, öteki tip izotermler ise çok tabaka adsorpsiyonu gösterir. Tip II izotermi S biçimli (sigmoidal) izotermdir. Gözenekli olmayan veya makrogözenekli pek çok katılar üzerindeki azot (77 K) ve diğer buharlar tarafından verilen izoterm bu tiptendir. BET izotermleri Tip 2 biçimindedir. BET kuramına göre ilk tabaka haricindeki bütün tabakalarda adsorplanan miktarlar aynıdır. Burada ilk tabaka dolmadan ikinci tabaka da biraz dolmaktadır. Orta çizgisel bölgenin başlangıcı olan nokta tek tabaka örtüsünün tamamlandığı ve çok tabaka adsorpsiyonunun başlamak üzere olduğu durum olarak tanımlanmıştır. Tip III izotermi, adsorpsiyon ısısının yoğunlaşma ısısına eşit veya daha küçük olduğu hallerde görülür ve nadiren rastlanır. Tip III izotermi basınç eksenine göre dış bükeydir. Çok tabakalı adsorpsiyon, adsorpsiyon ısısının pozitif veya negatif oluşuna bağlı olarak sıra ile Tip II ve Tip III izotermlerini verir. [3] Tip IV izotermi, izotermin başlangıç kısmında mezogözenekli veya gözenek çapı 2 nm ile 50 nm arasında olan bir katı için Tip II izotermi ile aynı yolu izler. 5
Doygunluk basıncına yakın yerde ise basınç eksenine paralel seyreder. BET metodu ayrıca Tip IV adsorpsiyon izotermine uygulanabilir. Tip V izotermi en zor yorumlanan tiptir. Tip III izoterminde olduğu gibi adsorplayıcı-adsorplanan ilgisi zayıftır. Tip VI izotermi, düzgün bir yüzey üzerinde basamaklı çok tabakalı adsorpsiyonun sonucudur. İlk birkaç tabakanın her biri bağıl basıncın sınırlanmış bir bölgesi üzerinde adsorplanır; çok düşük bağıl basınçta izoterm basınç eksenine dış bükeydir. BET kuramı diğer kuramlara göre iyi olmakla beraber adsorplanan moleküllerin hareketliliğinin ve bunların birbirlerine etkilerinin göz önüne alınmaması ve bütün adsorplama merkezelerinin eşdeğer düşünülmesi gibi eksik yönleri de vardır. BET izoterm denklemi: çizgisel biçimiyle verilir. P 0 adsorplananın deney sıcaklığındaki doygun buhar basıncı, P adsorpsiyonun ölçüldüğü esnadaki buhar basıncı n m tek tabaka kapasitesi, C ise ; C= e E1 EL RT Bağıntısına göre adsorpsiyon ısısının, yoğunlaşma ısısını aşan miktarının ölçüsü olan bir sabittir. (E 1 E L ) net adsorpsiyon ısısıdır. 6
Çok tabakalı adsorpsiyon kuramı kritik sıcaklığın altındaki sistemlere yani buharlara uygulanır. Kritik sıcaklığın üzerinde yalnız tek tabakalı adsorpsiyon oluşur. Rapor sonunda cevaplanacak sorular 1) Adsorpsiyon nedir? Adsorpsiyon izotermleri neden kullanılır? 2) BET ile ne tür bilgiler elde edilir? 3) Numune hazırlama nasıl yapılır? 4) Ne tür numunelerle analiz yapılır? 5) Sıvı ile BET yapılır mı? KAYNAKLAR 1) Güzel F., Çeşitli Katıların B.E.T. Tek Nokta Yöntemi ile Yüzey AlanlarınınBelirlenmesive Diğer Yöntemlerle Karşılaştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Dicle Üniversitesi-Fen Bilimleri Enstitüsü, Diyarbakır, 1987. 2) Çetin F., Çözeltiden Adsorpsiyon Yöntemiyle Bazı Silikatların Yüzey Alanlarının Belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Osmangazi Üniversitesi-Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, 1995. 3) Tosun N., Mezogözenekli Katıların Adsorplama Özelliklerinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi-Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2005. 7