Gözenekli Paslanmaz Çelik Disk Destekli Zeolit 4a Membranlarının Hazırlanması

Abstract

Zeolitler, diğer bir deyişle moleküler elekler, yapılarında molekül boyutlarında gözenekler bulunan aluminosilikat kristalleridir. Gözeneklerinin içerisinde su ve diğer adsorplanmış moleküllerin yanısıra, kafes yapısını oluşturan aluminyumun yükünü dengeleyecek katyonları barındırırlar. Zeolitlerin bir kısmı doğal olarak bulunabilirken, bir kısmı da sentetik olarak üretilmektedir. Yüksek boşluk hacimleri ve yüzey alanları, güçlü asiditeye sahip yüzeyleri ve iyon değişim özellikleri sayesinde, adsorban, katalizör ve iyon değiştirici olarak kullanılırlar. Zeolit 4A, gaz/buhar ayırmada sıklıkla kullanılan, doğal karşılığı olmayan bir sentetik zeolittir. Lineer parafinlerin dallanmış parafinlerden ayrılması ve oksijen/azot ayrımı, zeolit 4A nın kullanıldığı önemli ticari uygulamaların örnekleridir. Günümüzde, potansiyel uygulamalarının çokluğu nedeniyle zeolitik membranlar oldukça ilgi çekmektedir. İlk başlarda, geleneksel zeolit sentezinde olduğu gibi, zeolitik membranların da jel karışımlarından hazırlanılmasına çalışılmış, fakat daha sonra bu yöntemin ince ve düzgün membran üretimine uygun olmadığı anlaşılmıştır. Doğrudan sentez yöntemi veya çekirdek kullanarak yapılan sentezler sonucu yüksek silikalı zeolitlerin membranları üretilebilmiştir.Zeolit A gibi yüksek aluminyum içerikli zeolitlerden, gaz ayırmada kullanılabilecek membanların yapılması ise hala başarılamamıştır. Bu çalışmanın amacı, gözenekli paslanmaz çelik destekler üzerinde zeolit 4A (NaA) kaplamalarının hazırlanmasıdır. Zeolit 4A kaplamaları, berrak sodyum aluminosilikat çözeltisinden, farklı sıcaklıklarda ve farklı sürelerde yürütülen sentezlerle hazırlanmıştır. XRD ve SEM analizleri ile, zeolit 4A nın çelik destekler üzerinde çekirdeklenme ve büyümesi takip edilmiştir. Bazı deneylerde, destekler, sentez öncesinde işleme tabi tutulmuştur. Hazırlanan membranların karakterizasyonu için geçirgenlik testleri de yapılmıştır. Doğru sentez süresi ve sıcaklık seçimleri yapıldığında, desteğin tamamen zeolit 4A ile kaplanmasi sağlanabilmiştir. Öte yandan, geçirgenlik testleri, hazırlanan membranların yeterince mukavim olmadığını göstermiştir. Desteklerin, oksijenli ortamda yüksek sıcaklıklarda ön işleme tabi tutulması, yüzey oksitlenmesi sonucu çekirdeklenmeyi arttırmış, daha sıkı bir kaplama elde edilmesini sağlayarak, mukavemet sorununu çözmüştür.

Zeolites are crystalline aluminosilicates with pores of molecular sizes intersecting their structures. They are also referred to as molecular sieves. They contain cations balancing the framework charge associated with the lattice aluminum atoms, in their pores, in addition to adsorbed water or other adsorbed molecules. Some occur naturally as minerals, and many more can be produced synthetically. Their major uses are as adsorbents, catalysts, and ion-exchangers, due to their high internal surface areas, high void volumes, strongly acidic surfaces and ion-exchange abilities. Zeolite A is a synthetic zeolite without any natural counterpart, which is widely used as an adsorbent in gas/vapor separations. Separation of linear paraffins from branched ones, and oxygen from nitrogen are two examples of the industrially important separation applications utilizing zeolite A. Preparation of zeolite membranes has been attracting a lot of attention recently due to the abundance of the potential applications. Synthesis of zeolite membranes from gel mixtures has been attempted initially, following the conventional zeolite synthesis approach, which was later observed to be unsuitable for the preparation of thin and uniform membranes consisting of a single layer of crystals. Membranes of siliceous zeolites have been prepared from clear solutions either by direct synthesis or by seeded synthesis. Preparation of membranes of zeolites with high aluminum content, such as zeolite A, especially for gas separations, still remains to be a challenge. The purpose of this study was to prepare zeolite 4A (NaA) membranes supported on porous stainless steel substrates. Coatings of zeolite 4A were prepared on the substrates via synthesis experiments carried out at different temperatures and for different times, using clear sodium aluminosilicate solutions. Nucleation and growth of zeolite 4A on the substrate were followed with respect to time, by the help of XRD and SEM characterizations. In some cases the substrates were pretreated prior to being coated. Permeation experiments were also carried out for the characterization of the membranes prepared. It was possible to prepare closed coatings by the correct choice of the temperature and time of the syntheses. However, permeability experiments indicated that the membranes prepared as such were not sufficiently durable. Pretreating the substrate at high temperature under oxygen atmosphere prior to being coated, resulted in increased nuclei formation as a result of oxidation, and hence increased early intergrowth of the crystals, which helped to overcome the durability problem.