Kaolenin geopolimerizasyonu ve adsorpsiyon davranışının karakterizasyonu
Geopolymerization of kaolin and characterization of its adsorption behaviour
Yazar: ALİ SABRİ BERKEM
Danışman: PROF. DR. AHMET ÇAPOĞLU
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption

Özet:
Bu çalışmanın amacı, henüz literatürde mevcut olmayan doğal kaolen kilinin adsorpsiyon kapasitesini arttırmak için kalsine kaolen esaslı potasyumlu geopolimer adsorbanlarını üretmek ve benzer kompozisyona sahip sodyumlu geopolimer adsorbanlarını da üreterek karşılaştırmalı olarak, geopolimer yapılı kalsine kaolenin adsorpsiyon davranışlarına sodyum ve potasyum iyonlarının etkisini araştırmaktır.Yapılan çalışmada, SiO2 ve Al2O3 kaynağı olarak kalsine-kaolen hammaddesi ile farklı oranlarda sodyum hidroksit ve potasyum hidroksit kullanılarak sodyumlu ve potasyumlu geopolimerler üretilmiştir. Elde edilen numuneler 50°C'de 2 saat kürlendikten sonra oda sıcaklığında 7 gün kurutmaya bırakılmıştır.Sonuçta elde edilen numunelerin fiziksel özelliklerini belirlemek amacı ile kütle kayıpları ve pH değişimleri belirlenmiştir. Bunların yanı sıra X-ışınları kırınım analizi, üç nokta eğme testi, fourier dönüşüm kızılötesi spektroskopi (FT-IR) analizi, diferansiyel ısıl analiz (DTA) ve ısıl ağırlık kaybı analizi (TGA), parçacık boyut dağılımı analizi, yüzey alanı ölçümü, geçirimli elektron mikroskobu (GEM) ve enerji dağılımlı X-ışınları (EDX) analizi yapılmıştır.Yapılan bu analizler sonucunda potasyumlu geopolimerin (GK6) ve sodyumlu geopolimerin (GN6) suda formlarını koruduğu gözlemlenmiştir. Kütle kayıpları her ikisinde de yaklaşık %0.01 olarak bulunmuştur. pH ölçümlerinden, hem sodyumlu hem de potasyumlu geopolimerlerin artan alkali miktarı ile suyun pH değerini arttırdığı tespit edilmiştir. Kalsinasyon sonucunda kaolinitin korundum ve kuvarsa dönüştüğü X-ışınları analizinden anlaşılmaktadır. Ayrıca, X-ışınları analizleri incelendiğinde artan potasyum hidroksit miktarı ile amorf bölgenin görece arttığı fakat, artan sodyum hidroksit miktarı ile amorf bölgenin nispeten azaldığı gözlemlenmiştir. Potasyumlu geopolimer için eğme mukavemeti 20.07±0.9 MPa iken sodyumlu için 12.18±0.72 MPa olarak bulunmuştur. FT-IR analizi sonucu elde edilen 420 - 500 cm-1, 950 ? 1250 cm-1 bantları ve bu bantlara ait olan Si ? O ? Al, Si ? O ? Si bağları geopolimer oluşumunu doğrulamaktadır. Ortalama tane boyutu kaolen için 1019.77 nm iken geopolimerizasyon sonucu düşerek sırasıyla potasyum ve sodyumlu için 538 nm, 627.6 nm olarak ölçülmüştür. Brunauer?Emmett?Teller (BET) analizi sonucu ise GK6 ve GN6 geopolimerlerinin yüzey alanları sırasıyla 152.04 m2/g ve 21.29 m2/g olarak saptanmıştır. Yapılan GEM ve EDX analizlerinde GK6 ve GN6 geopolimerlerinde bölgesel olarak kristal ve amorf bölgelere rastlanmış ve semi ? kristal yapıya sahip oldukları gözlemlenmiştir. Yapılan kinetik ve izoterm çalışmaları sonucunda sırasıyla korelasyon sayıları dikkate alınarak en uygun kinetik model yalancı ikinci dereceden kinetik model (Pseudo-second order model) ve en uygun izoterm Langmuir izotermi olarak bulunmuştur. Langmuir izotermine göre sırasıyla Kaolenin, GK6 ve GN6 geopolimerlerinin adsorplama kapasitesi 12 mg/g, 51.3 mg/g ve 92.6 mg/g olarak hesaplandı. Ayrıca iyon değişiminin adsorpsiyona katkısı GK6, GN6 geopolimerleri için sırası ile 11.5 mg/g, 35.1 mg/g olarak bulunmuştur.

Abstract:
The purpose of this study is to produce potassium geopolymer adsorbent based on calcined kaolin to increase adsorption capacity of natural kaolin clay and investigate the effect of sodium and potassium ions on the adsorption behaviour of sodium geopolymer adsorbent in comparison with potassium geopolymers which has the similar composition prepared by the use of mainly calcined kaolin. In this study, potassium and sodium geopolymers were produced by using Kaolin as a raw material for the resource of SiO2, Al2O3 and potassium hydroxide and sodium hydroxide with different percentages. Prepared samples were dried 7 days at room temperature and following that cured for 2 hours at 50°C.In order to define the physical properties of prepared samples mass losses and change of pH values were measured. In addition to these, geopolymerised samples were also characterized by X-ray diffraction analysis (XRD), Three Point Bending Test, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Differential Thermal Analysis (DTA) and Thermogravimetric Analysis (TGA), Particle Size Distribution Analysis, Brunauer?Emmett?Teller (BET) Surface Area Analysis, Transmission Electron Microscopy (TEM) and Energy Dispersive X-ray (EDX) Analysis.According to the analysis results, potassium geopolymers coded as GK6 and sodium geopolymers coded as GN6 kept their forms in water and their mass losses were found to be approximately 0.01%. The pH value of water for both potassium and sodium geopolymers increased by increasing the amount of alkalis. It is clear from the X-Ray diffraction analyses results that the calcination treatment transformed the kaolinite into corundum and quartz phases. Also, X-ray diffraction analyses results showed that amount of amorphous phase region increased by increasing the amount of potassium hydroxide and decreased slightly by increasing the amount of sodium hydroxide in geopolymer compositions. The strength values obtained by three point bending test are 20.07±0.9 MPa for GK6 and 12.18±0.72 MPa for GN6 geopolymers. The geopolymer formation for both compositions were confirmed by the FT-IR analysis. The FT-IR peaks around 420 ? 500 cm-1, 950 ? 1250 cm-1 bands were thought to be due to Si ? O ? Al and Si ? O ? Si bonds. The mean particle size of Kaolin raw material was measured to be 1019.77 nm but, the geopolymerization decreased the mean particle sizes. The mean particle sizes were 538 nm and 627.6 nm for potassium and sodium geopolymers, respectively. The surface areas of GK6 and GN6 geopolymers were measured by BET analysis method, and they were found to be 152.04 m2/g and 21.29 m2/g, for GK6 and GN6, respectively. From the TEM and EDX analyses results it was confirmed that both regional crystalline and amorphous phase regions were present and generally semi- crystalline structure were observed for both GK6 and GN6 geopolymers. As a result of kinetic and isotherm analysis study which take the correlation numbers into account, pseudo-second order model was found to be the best-fit kinetic model and Langmuir isotherm was established as the best-fit isotherm for the geopolymer structures. According to the Langmuir isotherms, the adsorption capacities of Kaolin, GK6 geopolymer and GN6 geopolymer were 12 mg/g, 51.3 mg/g and 92.6 mg/g, respectively. Moreover, the contribution of ion exchange to adsorption was determined to be 11.5 mg/g, 35.1 mg/g for GK6, GN6 geopolymers, respectively.