FBE- Kimya Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/68

Gözat

Yazar "10027319" ile FBE- Kimya Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans'a göz atma
  • Öge
    Çinko Borat Sentezi İçin Znso4 - Na2b4o7 - H2o Sisteminde Katı Sıvı Faz Dengesinin İncelenmesi
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014-02-18) Noktacı, Vildan ; Gürbüz, Hala ; 10027319 ; Kimya Mühendisliği ; Chemical Engineering
    Günümüzde polimerik malzemeler, hayatın birçok alanında kullanılmaktadır. Bu malzemelerin kullanım alanları arttıkça, polimerin alev dayanım özelliklerinin geliştirilmesiyle ilgili çalışmalar da artmaktadır. Polimerlerde alev dayanımını arttırmak amacıyla, polimerlerle beraber bazı alev geciktiriciler kullanılmaktadır. Çinko borat, son yıllarda alev geciktirici olarak gittikçe artan oranlarda kullanılan ve bünyesinde bor ihtiva eden kimyasal bir maddedir. Çinko boratın en önemli avantajı yanma proseslerinde toksik ve aşındırıcı maddeler oluşturmamasıdır. Ayrıca çinko boratın yüksek dehidratasyon sıcaklığı (290 °C) önemli kullanım avantajı sağlamaktadır. Tüm bu özelliklerin yanında çinko boratın en önemli dezavantajı yüksek kullanım miktarı gerektirmesi ve polimer matrisi içerisinde iyi disperse olamamasıdır. Bu özellik, aleve dayanıklı polimerin mekanik özelliklerinin keskin bir şekilde azalmasına ve aleve dayanım veriminde azalmaya neden olmaktadır Bu çalışmada, yaygın olarak kullanılan çinko borat bileşiklerinden biri olan 2ZnO.3B2O3.3H2O bileşiğinin üretilmesi amaçlanmaktadır. Bu amaçla, boraks dekahidrat (Na2B4O7.10H2O) ve çinko sülfat heptahidrat (ZnSO4.7H2O) başlangıç maddelerinin kullanıldığı denemeler, tek adımda çöktürme yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Başlangıç reaksiyon karışımındaki ZnO/B2O3 mol oranı, reaksiyon süresi, reaktanların reaksiyon ortamına ilave edilme şekli, aşı kristali kullanımı ve reaksiyon sıcaklığı gibi parametrelerin; ürün bileşimi, görüntüsü ve tanecik boyutuna etkisi incelendiği bu çalışmada deneyler ilk olarak çalkalamalı su banyosunda, ikinci aşama olarakta karıştırmalı kesikli reaktörde yürütülmüştür. Elde edilen ürünlerin bileşimi ve kimyasal yapısı, termogravimetrik analiz (TGA), indüktif eşleşmiş plasma spektroskopik (ICP) yöntem, kompleksometrik EDTA titrasyonu ve asit-baz titrasyonu yöntemleriyle, tane boyut dağılımları ve kristal şekilleri ise tane boyut analizi ve mikroskopik incelemelerle belirlenmiştir. Karıştırmalı su banyosunda 80 °C de 80 rpm karıştırma hızında, reaksiyon karışımındaki başlangıç ZnO/B2O3 mol oranlarının 0,04, 0,5, 0,88, 10,67, 5 olarak alındığı reaksiyon koşullarında 2., 4. ve 8. günlerde numuneler alınıp kimyasal analizleri yapılmıştır. Kimyasal analizler sonucunda numunelerin B2O3, ZnO, Na2O ve SO3 içerikleri grafiğe geçirilip zamanla değişimleri incelenmiştir. Buna göre, 4. gün sonunda ve 8. gün sonunda B2O3, ZnO, Na2O ve SO3 içeriklerinde bir değişim olmamaktadır. Karıştırmalı su banyosunda gerçekleştirilen reaksiyonlar 4. günde dengeye geldiği belirlenmiştir. 8. gün sonunda dengeye gelmiş bileşimlerin katılarının kimyasal analiz sonuçlarına bakıldığında, ZnO/B2O3 başlangıç mol oranının 0,5 olarak alındığı reaksiyonda istenilen yapı olan 2ZnO.3B2O.3H2O yapısı elde edilmiştir. Ayrıca, 0,88 ZnO/B2O3 mol oranında gerçekleştirilen reaksiyon sonucunda elde edilen ürün de 8 gün sonunda 2ZnO.3B2O.3H2O yapısına yaklaşmıştır. Mikroskopik incelemeler, karıştırmalı su banyosunda elde edilen ve 2ZnO.3B2O.3H2O yapısına uyan katıların, çubuk yapılı kristallerden oluştuğunu göstermektedir. Karıştırmalı kesikli reaktörde 600 rpm sabit karıştırma hızında yürütülen deneylerde tüm bileşimler, karıştırmalı su banyosunda 2ZnO.3B2O.3H2O yapısının elde edildiği 0,5 ZnO/B2O3 mol oranında hazırlanmıştır. İlk olarak aşı kristali etkisinin incelendiği denemelerde, 80 °C sıcaklıkta 24 saat süreyle ve aşı kristali ilave edilmeden yürütülen deneyde elde edilen katı faz bileşiminin 2ZnO.3B2O3.3H2O bileşimine tam olarak uymadığı görülmüştür. Deney aynı koşullarda, ancak aşı kristali ilave edilerek yinelenmiştir. Aşı krsitali olarak karıştırmalı su banyosunda üretilen ve bileşimi 2ZnO.3B2O3.3H2O bileşimine uyan kurutulmuş katı kullanılmıştır. Reaksiyon ortamına aşı kristali eklenmesinin ürün bileşimi ve dönüşüm verimi üzerinde belirgin bir etkisi olmamıştır. Gerçekleştirilen tüm denemelerde reaksiyon ortamına aşı kristali de ilave edilmiştir. Reaksiyon süresinin ve sıcaklığın etkisini incelemek amacıyla reaksiyonlar 1, 6, 24 ve 48 saatte; 60, 70, 80 ve 87 °C de gerçekleştirilmiştir. 1 saatte 60, 70, 80 ve 87 °C de gerçekleştirilen denemelerde elde edilen ürün, ZnO.B2O3.2H2O bileşimine sahip çinko borat ve ZnO dan oluştuğu ve mikroskopik incelemeler sonucunda ürünün bir şekli olmayan düzensiz tanelerden oluştuğu gözlenmiştir. Tüm sıcaklıklarda elde edilen ürünlerin bileşimi birbirlerine yakındır. 1 saatlik reaksiyon süresinde sıcaklığın değiştirilmesinin ürünün bileşimi ve verim üzerinde belirgin bir etkisi olmamıştır. 1 saatlik denemeler dışında incelenen tüm koşullarda elde edilen ürün ZnO.B2O3.2H2O ve üretilmesi amaçlanan 2ZnO.3B2O.3H2O bileşiklerinin bir karışımı halindedir. Reaksiyon süresinin 6 saate çıkarılması bileşimi biraz daha 2ZnO.3B2O3.3H2O yapısına doğru kaydırmış; ancak düşük dönüşüm verimi değerleri elde edilmiştir. Mikroskopik incelemeler sonucunda 60 ve 70 °C de uzunlukları genişliklerine yakın, düzensiz yapıda kristaller; 80 ve 87 °C de ise uzunluk/genişlik oranı artan çubuk yapılı (prizmatik) kristaller elde edildiği görülmüştür. Reaksiyon süresi 24 saate çıkarıldığında, elde edilen katı ürünün bileşimi tam olarak 2ZnO.3B2O3.3H2O bileşimine yaklaşmadığı görülmüştür. Reaksiyon süresinin artmasıyla aglomere yapılarda azalma olmuştur. 24 saatlik reaksiyon süresinde, sıcaklığın dönüşüm verimi üzerinde önemli bir etkisi olmamıştır. 48 saatte gerçekleştirilen denemelerde, katı faz bileşimi sıcaklığın artmasıyla 2ZnO.3B2O3.3H2O yapısına giderek yaklaşmış; 87 °C de ve 80 °C de gerçekleştirilen istenen yapıya çok yakın bileşimde katı fazlar elde edilmiştir. Kristallerin genişliklerinde ve uzunluklarında da artış görülmektedir. Bu sonuçlara göre, reaksiyon sıcaklığı ancak yeterli reaksiyon süresinde ürün bileşimini etkileyen bir parametre olmaktadır. Reaksiyon süresinin elde edilen ürün bileşimi üzerine etkisini incelemek amacıyla, 60 °C de 1, 6, 24 ve 48 saatlik reaksiyon sürelerinde gerçekleştirilen denemelerden elde edilen katı faz bileşimleri 2ZnO.3B2O3.3H2O bileşimine yaklaşmamıştır. 1 ve 6 saatlik deneyler sonucunda düzensiz şekilli tanecikler elde edilmiştir. Reaksiyon süresi 24 saat ve 48 saate çıkarıldığında elde edilen taneler düzensiz şekilli yapıdan çubuksu yapıya dönüşmeye başlamıştır. Düşük değerlerde dönüşüm verimleri elde edilmiştir. 70 °C de yürütülen denemelerde 60 °C de elde edilen sonuçlara benzer sonuçlar elde edilmiştir. Reaksiyon sıcaklığı 1, 6, 24 ve 48 saatlik sürelerde 2ZnO.3B2O3.3H2O bileşimine yaklaşmaya yeterli gelmemiştir. Reaksiyon sıcaklığı 80 °C ye çıkarıldığında elde edilen katı faz bileşimini istenen 2ZnO.3B2O3.3H2O bileşimine 48 saat sonunda yaklaşmıştır. Denenen tüm reaksiyon sürelerinde elde dilen katıların tane boyut dağılımı ve mikroskop görüntüleri karşılaştırıldığında aglomere yapılar görülmektedir. Reaksiyon süresinin artışıyla kristal boyutları da artmıştır ve kristal şekli çubuksu yapıya dönüşmüştür. 87 °C de 1 saatte gerçekleştirilen reaksiyon sonucunda elde edilen katı fazda belirsiz şekilli, 6 saat ve sonrasında ise çubuksu yapılı kristaller elde edilmiştir. Reaksiyon süresinin artışıyla tane boyutları da artmıştır. Ayrıca, 87 °C de gerçekleştirilen denemelerde reaksiyon süresinin artışıyla dönüşüm verimlerinin de arttığı görülmektedir. 48 saat, en yüksek dönüşüm veriminin % 64,1 olarak elde edildiği ve bu süre sonunda ZnO-B2O3-H2O sistemi üçgen diyagramında elde edilmek istenen bileşim olan 2ZnO.3B2O3.3H2O bileşimine en çok yaklaşım gösteren süredir. ZnSO4.7H2O reaktanının reaksiyon ortamına eklenme şeklinin etkisini incelemek amacıyla ZnSO4.7H2O çözelti halinde, 80 °C de ve 24 saat süren reaksiyon ortamına 1 saat boyunca damla damla ilave edilmiştir. Deneme sonucunda elde edilen katı faz sonuçları aynı koşullarda gerçekleştirilmiş olan ve ZnSO4.7H2O un katı halde alındığı reaksiyon sonucu elde edilen katı faz bileşimleri ile karşılaştırılmıştır. Buna göre, bu iki bileşim birbirine çok yakındır. Edilen katıların bileşimlerinin birbirine çok yakın olduğu; ancak, ZnSO4.7H2O nun çözelti halinde damla damla ilave edildiği durumda daha büyük çubuksu kristaller elde edildiği görülmüştür. Ayrıca, gerçekleştirilen başka bir deneyde ise, 87 °C de 24 saatte biri reaktördeki ZnSO4.7H2O çözeltisine Na2B4O7.10H2O nun katı halde ilave edildiği; diğeri reaktördeki Na2B4O7.10H2O çözeltisine ZnSO4.7H2O’nun katı halde ilave edildiği iki denemenin sonuçları da birbirine çok yakın bileşimlerde katı faz elde edildiğini göstermiştir. Elde edilen katı fazların mikroskop görüntüleri ve tane boyut dağılımlarında da belirgin bir fark olmamıştır.